1. תרמודינמיקה 2. קינטיקה

Transcription

1 החוק הראשון של התרמודינמיקה כימיה פיסיקלית ד"ר דני פורת Tel: Rm: Los Angeles 031 Course book: Physical Chemistry P. Atkins & J. de Paula (7 th ed) Course site: 1 סיל בוס קור ס 1. תרמודינמיקה א- תכונות הגזים ב- החוק הראשון של התרמודינמיקה: מושגים ומנגנונים ג- החוק השני והשלישי: מושגים ומנגנונים ד- דיאגרמת פזות ה- שיווי משקל כימי. קינטיקה א- קצב ראקציות כימיות ב- מנגנונים וקטליזות שעור מס' 3 החוק הראשון של התרמודינמיקה קריאה מ לו וה מו מלצ ת: Atkins החוק הראשון תפיסות יסוד.1 א- עבודה, ו ב- החוק הראשון שימור הגדרה פורמלית של החוק הראשון (1 ( 3) הגדרה מכנית של 3

2 שימור אנרג יה ותרמודינ מיקה חוק שימור ה (אבחנה ניסיונית): אינה נוצרת ואינה נעלמת הערות לשימור ה עקרון שימור ה מאפשר לאמוד את שינויי ה המלווים תהליכים פיסיקליים וכימיים תרמודינמיקה חקר שינויי הצורה של : עבודה ו 4 מושג י י סוד המערכת "חלק העולם" שבו יש לנו עניין (תא ריאקציה, תא אלקטרוכימי, קפיץ עם משקולת, מנוע, תא בגוף...) הסביבה האזור שמחוץ למערכת ושבו המדידות מתבצעות תרמודינמיקה חקר שינויי הצורה של : עבודה ו הסביבה - אויר תפוח אדמה אפוי גבול המערכת המערכת 5 הסביבה אפיון מע רכ ות אפיון המערכת תלוי בגבולותיה: פתוחה דרך ו חומר מחליפה גבולותיה חומר סגורה דרך רק מחליפה גבולותיה 6 מבודדת אינה במגע מכני או תרמי עם סביבתה

3 אפיון מע רכ ות אפיון המערכת תלוי בגבולותיה: פתוחה מחליפה חומר ו דרך גבולותיה סגורה מחליפה רק דרך גבולותיה מבודדת אינה במגע מכני או תרמי עם סביבתה חומר 7 עבודה, ו עבודה: נעשית כאשר אובייקט מוזז כנגד כח נגדי התפשטות גז הדוחף בוכנה ומרים משקל בסביבה ריאקציה כימית המניעה זרם חשמלי דרך נגד היכולת של מערכת לבצע עבודה כאשר נעשית עבודה על מערכת מבודדת יכולתה לבצע עבודה גדלה וכמו כן ה שלה העברת על ידי שימוש בתנועה תרמית בסביבה 8 פוטנציאלית E: p גודל הקשור למיקום היחסי של אובייקט שווה mgh באיור קינטית E: k של תנועה שווה ל- 1/mV באיור 9

4 אנרגית המערכת היא סכום של ה הקינטית וה הפוטנציאלית שלה יכולה להיות מועברת בין שתי הצורות במערכת מבודדת (אין חילוף עם הסביבה) סך ה קבוע 10 ה הכוללת נשמרת שהמערכת מקבלת אובדת לסביבה במערכת לא מבודדת התחלתי החלפת בין המערכת והסביבה יכולה להיות על ידי עבודה (q) או שתיהן סופי,(W) 11 עבודה עבודה: כל המרת שאינה 1 kg 1 meter כל אינטראקציה שהתוצר הסופי שלה יכול להיות רק הרמת משקל x דרך עבודה = כח 1

5 : T low העברת מאובייקט חם לאובייקט קר q טמפרטורה: T high דרגת ה"" של אובייקט 13 גבול דיאתרמי: גבולות ש ל מער כת גבול מערכת המאפשר מעבר כ גבול אדיאבטי: גבול מערכת שאינו מאפשר מעבר כ 14 תהליך אדיאבטי: תהליכי ם תהליך שבו אין חילוף בין המערכת וסביבתה תהליך איזוטרמי: תהליך שבו הטמפרטורה של המצב ההתחלתי ווהטמפרטורה של המצב הסופי זהות תהליכים איזוטרמיים אינם בהכרח אדיאבטיים 15

6 החלפת : תהליך אקסותרמי תהליך אקסוטרמי: תהליך כימי שבו המערכת משחררת לסביבה (למשל בעירה) 0>q: עובר לסביבה 16 החל פת : תהליך אנדותרמי תהליך אנדוטרמי: תהליך כימי שבו המערכת בולעת מהסביבה (למשל אידוי מיים) 0<q: נבלע מהסביבה 17 תהליכי ם, תנ ועת וש ינויי ט מפר ט ורה איבוד טמפרטורה קבועה כניסת עליית טמפרטורה ירידת טמפרטורה אקסותרמי אנדותרמי אקסותרמי אנדותרמי מערכת דיאתרמית מערכת אדיאבטית 18

7 ומוס כמות סי מון המערכת מאבדת : E final <E initial E=E final -E initial <0 המערכת מרוויחה : E final >E initial E=E final -E initial >0 19, ע בודה ומוסכמות ס ימון q<0 q>0 W<0 W>0 המערכת מוסרת המערכת מרוויחה המערכת מבצעת עבודה עבודה מבוצעת על המערכת 0 דוגמה: בוכנה (1) התפשטות כנגד לחץ חיצוני קבוע מערכת אדיאבטית: חילוף אין q=0 המערכת מבצעת עבודה: W<0 1

8 דוגמה: בוכנה () מהי העבודה שמבצעת המערכת? לחץ חיצוני=כח/שטח P external =force/area W =force x distance = P external x A x h = P external x V W= -P external x V 3 אינטרפרטצ יה מולקולרי ת ל העברת על ידי תנועה מולקולרית לא מאורגנת בסביבה "תנועה נקראת: כזו תנועה תרמית" מולקולות של תרמית תנועה המולקולות את מניעה בסביבה וכתוצאה במרץ לנוע במערכת מכך, אנרגית המערכת עולה תנועה תרמית של מולקולות במערכת מניעה את המולקולות בסביבה לנוע במרץ וכתוצאה מכך, המערכת מחממת את הסביבה עבודה אינטרפרטציה מולקול רית לעבודה העברת על ידי תנועה מולקולרית מאורגנת בסביבה כאשר המערכת מבצעת עבודה, היא מאלצת אטומים או אלקטרונים בסביבתה לנוע בצורה מאורגנת כאשר עבודה מבוצעת על המערכת, מולקולות בסביבה משמשות להעברת אל המערכת בצורה מאורגנת דוגמאות: משקל מורד, אלקטרונים במוליך זרם 4

9 אינטרפרטציה מולקול רית ההבדלה בין עבודה ל נעשית בסביבה ההנעה של תנועה תרמית במערכת ע"י הנעת משקל חיצוני אינה רלוונטית להבדלה שלעיל עבודה מוגדרת כהעברת ע"י תנועת אטומים מאורגנת בסביבה מוגדר כהעברת ע"י תנועה תרמית בסביבה 5 אינטרפרטציה מולקולרית ל התפלגות בולצמן ה היא מקוונטטת חלקיק יכול להיות רק במצבי דיסקרטיים מסוימים רמות ככל שהחלקיק כבד יותר וגדול יותר כך קטן מרווח הרמות שלו מספר החלקיקים, N, i בדגם עם N חלקיקים שיימצא במצב עם רמת E, i כאשר המערכת בש"מ תרמי בטמפרטורה T מתקבל מהתפלגות בולצמן: Ei KBT N i = Ne i e Ei KBT 6 ה הפנימית (U): החוק הראש ון ה הכוללת של האטומים והמולקולות במערכת (קינטית + פוטנציאלית) נקראת ה הפנימית שלה U = E K + E P ה הפנימית אינה כוללת את ה הקינטית הנובעת מתנועת המערכת כגוף אחד שינוי ב הפנימית (U ): הפרש ה שבין המצב הסופי ההתחלתי ) i (U U = U f -U i (U f ) והמצב 7

10 החוק הראש ון פונקצית מצב function) :(State תכונה של מערכת התלויה אך ורק במצבה הנוכחי ולא באופן "הכנת המצב" לחץ, טמפרטורה ונפח פונקצית מסלול function) :(Path תכונה של מערכת התלויה באופן "הכנת המצב" מקום state B - path path 1 state A 8 ה הפנימית של גז אידיאלי חוק החלוקה השווה (מכניקה קלאסית): ישנם שלשה מרכיבים התורמים ל הקינטית של מערכת מולקולות בשווי משקל תרמי בטמפרטורה T: כל מרכיב ריבועי תורם תרומה שווה ל הקינטית ה הממוצעת של הגז היא: 9 3 NK 3 K B T = E K = mvx + mv y + mv z גודל תרומה זו הוא: 1 K BT ה הממוצעת של האטומים היא: T B 3 nrt ה ה פ נימית ש ל גז אידיאלי ה הפנימית למול גז: Um = Um + 3 ( 0) RT U m (0) ה הפנימית למול ב: 0=T בטמפרטורה זו אין תנועה ככל שהטמפרטורה עולה, מעוררים אופני תנודה נוספים וה הפנימית גדלה חישוב זה נכון לגז אידיאלי ולא לגז אמיתי, שעבורו אין חישוב פשוט 30

11 עובדות ניסיוניות: החוק הראש ון ניתן לשנות את ה הפנימית של מערכת אך ורק ע"י ביצוע עבודה על המערכת או ע"י חימומה המערכת "עיוורת" לאופן העברת ה אליה חימום ועבודה הן דרכים שקולות לשינוי ה הפנימית של מערכת אם המערכת מבודדת, אין שינוי ב הפנימית שלה ניסוח שקול החוק הראשון של התרמודינמיקה: ה הפנימית של מערכת מבודדת קבועה באופן מתמתי: U = q + w 31 דוגמא מנוע חשמלי מייצר 15 kj עבודה מכנית בשניה ומאבד kj לסביבה כ השינוי ב הפנימית יהיה: U = kj 15kJ = 17kJ כיפוף קפיץ דורש עבודה מכנית של 100, kj בתהליך זה מתבזבזים 15 kj לסביבה כ השינוי ב הפנימית יהיה: כאשר U = + 100kJ 15kJ = 85kJ 3 1. תרמודינמיקה ± א- תכונות הגזים סיל בוס קור ס ב- החוק הראשון של התרמודינמיקה: מושגים ומנגנונים ג- החוק השני והשלישי: מושגים ומנגנונים ד- דיאגרמת פזות ה- שיווי משקל כימי. קינטיקה א- קצב ראקציות כימיות ב- מנגנונים וקטליזות 33