Μέτρηση ∆U και ∆Η
Εισαγωγή
Η θερμότητα που εξελίσσεται σε σταθερό όγκο και η μεταβολή της θερμότητας σε σταθερή πίεση μετράται χρησιμοποιώντας θερμιδόμετρο. Η διαδικασία ονομάζεται Θερμιδομετρία . Το θερμιδόμετρο βόμβας χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του ΔU, ενώ το θερμιδόμετρο καφέ χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του ∆H.
Θερμιδομετρία βοηθά επίσης στον προσδιορισμό του εάν μια αντίδραση είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη. Τώρα ας καταλάβουμε λεπτομερώς τι Θερμιδομετρία είναι.
Τι είναι η θερμιδομετρία;
Θερμιδομετρία είναι η διαδικασία μέτρησης των ΔU και ΔH. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει τη χρήση θερμιδόμετρου. Η τεχνική περιλαμβάνει βύθιση του δοχείου ή του θερμιδόμετρου σε γνωστό όγκο υγρού. Η θερμότητα που εκλύεται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αξιολογείται με τον υπολογισμό της διαφοράς στις θερμικές ικανότητες του γνωστού υγρού και του θερμιδόμετρου.
Υπάρχουν δύο τρόποι για να πραγματοποιήσετε θερμιδομετρικές μετρήσεις. Είναι:
- Κάτω από σταθερό όγκο που είναι ∆ U
- Υπό σταθερή πίεση που ∆ H
Θερμιδομετρία χρησιμοποιεί θερμομετρικές μεθόδους για τον προσδιορισμό της εσωτερικής ενέργειας και της ενθαλπίας. Με απλά λόγια, αυτή η διαδικασία μετρά την ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται σε μια ουσία.
Διαφορετικοί τύποι Ανάλυση θερμιδομετρίας οι τεχνικές είναι οι εξής:
- Προσρόφηση Θερμιδομετρία
- Ισοθερμική μικροθερμιδομετρία
- Αντίδραση Θερμιδομετρία
- Ισοθερμική Τιτλοδότηση Θερμιδομετρία
Πριν προχωρήσουμε στην κατανόηση της διαδικασίας μέτρησης των ΔU και ΔH, ας γνωρίζουμε πρώτα εν συντομία τι είναι η ενθαλπία και η εσωτερική ενέργεια.
Τι είναι η ενθαλπία;
Η ενθαλπία είναι η θερμική ενέργεια που εκλύεται ή απορροφάται κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης. Η ενθαλπία αναπαρίσταται με το κεφαλαίο γράμμα Η. Από την άλλη πλευρά, η μεταβολή της ενθαλπίας γράφεται ως ΔΗ. Εδώ το δέλτα συμβολίζει την αλλαγή στην ενέργεια.
Η μονάδα ενέργειας είναι joules ή kilojoules.
Με άλλα λόγια, η ενθαλπία μπορεί επίσης να οριστεί ως το άθροισμα των εσωτερικών ενεργειών μιας χημικής αντίδρασης. Είναι επειδή η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια συμβαίνει μόνο κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης. Αυτή η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια υπολογίζεται ως μεταβολή ενθαλπίας.
H =U + PV
Πού,
H =Ενθαλπία
U =άθροισμα όλων των εσωτερικών ενεργειών
P =πίεση
V =τόμος
Η ενθαλπία είναι το άθροισμα της εσωτερικής ενέργειας και της ενέργειας που απαιτείται για να διατηρηθεί ο όγκος ενός συστήματος σταθερός σε μια δεδομένη πίεση. Το PV υποδηλώνει την εργασία που πρέπει να γίνει στο περιβάλλον για να δημιουργηθεί χώρος για το σύστημα.
Επιπλέον, σύμφωνα με το νόμο του Hess, η μεταβολή της ενθαλπίας παραμένει ανεξάρτητη από την πορεία που ακολουθεί μια χημική αντίδραση. Η αλλαγή της ενθαλπίας μιας συγκεκριμένης αντίδρασης που συμβαίνει σε ένα βήμα είναι ίση με την ίδια χημική αντίδραση που απαιτεί πολλά βήματα για να ολοκληρωθεί.
Η ενθαλπία εξαρτάται από τα αρχικά και τελικά στάδια της χημικής αντίδρασης και επομένως είναι συνάρτηση κατάστασης.
Τι είναι η εσωτερική ενέργεια;
Η εσωτερική ενέργεια είναι ίση με το άθροισμα της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας. Η δυναμική ενέργεια είναι η στατική ενέργεια που αποθηκεύεται στο σύστημα. Από την άλλη πλευρά, κινητική ενέργεια είναι η ενέργεια που απελευθερώνεται λόγω της κίνησης των μορίων.
Η εσωτερική ενέργεια συμβολίζεται με το κεφαλαίο γράμμα U. Η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια αντιπροσωπεύεται από το ΔU, όπου το δέλτα υποδηλώνει τη μεταβολή.
Η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια οφείλεται σε δύο παράγοντες:
- Μεταφορά θερμότητας σε μια χημική αντίδραση όταν η θερμότητα είτε απορροφάται είτε απελευθερώνεται.
- Κάνοντας δουλειά
Επομένως η εσωτερική αλλαγή ενέργειας μπορεί να γραφτεί ως:
∆U =q + w
Πού,
q =μεταφορά θερμότητας
w =εργασία που γίνεται στο σύστημα ή από το σύστημα
∆U Measurement
Σε μια χημική αντίδραση, η θερμότητα που εκλύεται σε σταθερό όγκο ή η εσωτερική αλλαγή ενέργειας μετριέται χρησιμοποιώντας ένα θερμιδόμετρο βόμβας.
Το θερμιδόμετρο βόμβας αποτελείται από ένα εσωτερικό σκάφος που είναι γνωστό ως βόμβα. Τα καλύμματα είναι κατασκευασμένα από ισχυρό χάλυβα και εφαρμόζουν σφιχτά με μεταλλικές βίδες και καπάκια. Το εσωτερικό δοχείο περιβάλλεται από ένα μεγαλύτερο μονωμένο δοχείο που περιέχει το νερό. Διαθέτει επίσης ένα θερμόμετρο και έναν αναδευτήρα κρεμασμένο στο νερό.
Μια γνωστή ποσότητα μιας εύφλεκτης ουσίας λαμβάνεται σε ένα κύπελλο πλατίνας. Το κύπελλο πλατίνας έχει καλώδια προσαρτημένα σε αυτό για να ξεκινήσει η διαδικασία καύσης. Στη συνέχεια, η βόμβα συμπιέζεται με περίσσεια οξυγόνου αφού σφραγιστεί καλά. Τώρα η βόμβα βυθίζεται στο μεγαλύτερο δοχείο γεμάτο με νερό.
Στη συνέχεια, το ρεύμα διέρχεται από το νήμα που είναι προσαρτημένο στο κύπελλο πλατίνας στη βόμβα για να αναφλεγεί η διαδικασία καύσης. Καθώς γίνεται η καύση, η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται. Η άνοδος της θερμοκρασίας μετριέται χρησιμοποιώντας το θερμόμετρο Beckman. Εφόσον ο όγκος δεν αλλάζει, επομένως η μεταβολή της θερμότητας είναι ίση με τη θερμότητα της καύσης.
Τώρα η ποσότητα της θερμότητας που εκλύεται ΔUc κατά τη διάρκεια της διαδικασίας είναι ίση με τη θερμότητα που απορροφάται από το νερό και το θερμιδόμετρο.
Για να υπολογίσετε τη θερμότητα που απορροφάται από το θερμιδόμετρο:
q1 =k.ΔT
όπου,
k =σταθερά θερμιδομέτρου που ισούται με mc Cc ( Εδώ το mc είναι η μάζα του θερμιδομέτρου και το Cc είναι η θερμοχωρητικότητα του θερμιδομέτρου)
Η σταθερά του θερμιδομέτρου μπορεί να εκτιμηθεί με την καύση μιας γνωστής ποσότητας οποιουδήποτε τυπικού δείγματος για το οποίο είναι επίσης γνωστή η θερμότητα της καύσης.
Για να υπολογίσετε τη θερμότητα που απορροφάται από το νερό:
q2 =mw Cw ΔT
όπου,
mw =μοριακή μάζα νερού
Cw =γραμμομοριακή θερμοχωρητικότητα νερού
(4,184 kJ K-1 mol-1)
Επομένως, για να υπολογίσετε τη θερμότητα που εξελίχθηκε κατά τη διαδικασία:
ΔUc =q1 + q2
=k.ΔT + mw Cw ΔT
=(k+mw Cw)ΔT
ΔH Μέτρηση
Ένας θερμιδόμετρο φλιτζανιού καφέ χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της θερμότητας που εκλύεται σε σταθερή πίεση, δηλαδή ΔH. Ένα φλιτζάνι φελιζόλ χρησιμοποιείται σε ένα θερμιδόμετρο φλυτζανιών καφέ.
Λειτουργεί ως καλό αδιαβατικό τοίχωμα, αποτρέποντας τη μεταφορά της θερμότητας που παράγεται κατά την αντίδραση στο περιβάλλον. Το νερό μέσα στο φλιτζάνι απορροφά όλη τη θερμική ενέργεια. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτήν την προσέγγιση για αντιδράσεις που δεν αλλάζουν σημαντικά τον όγκο.
Η μεταβολή της θερμοκρασίας του νερού είναι ίση με τη θερμότητα που απορροφάται ή εκλύεται κατά τη χημική διαδικασία. Υπολογίζεται από την ακόλουθη εξίσωση:
q =mw Cw ΔT
όπου,
mw =μοριακή μάζα νερού
Cw =γραμμομοριακή θερμοχωρητικότητα νερού (4,184 kJ K-1 mol-1)
Πάρτε ένα παράδειγμα για να υπολογίσετε την ενθαλπία του αιθυλενίου καύσης στους 300K.
Λαμβάνουμε τη θερμότητα της καύσης σε σταθερό όγκο ΔU =-1406 kJ
Αντίδραση καύσης:
C2H4 (g) + 3O2(g) → 2CO2 (g)+2H2O(l)
ΔU =−1406 kJ
∆n =np(g) – nr(g)
∆n =2 – 4 =-2
∆H =∆U + ∆ngRT
∆H =-1406 + ((-2) x 8,314 × 10-3 × 300 )
∆H =-1410,9 kJ
Συμπέρασμα
Θερμιδομετρία και η μέτρηση των ΔU και ΔΗ είναι ένα σημαντικό θέμα στη θερμοδυναμική. Πρέπει να κατανοήσετε κάθε εξίσωση και διαδικασία μέτρησης της ενθαλπίας και της εσωτερικής ενέργειας για να τα πάτε καλά στην εξέταση.
.
