Fizikada Termokimyəvi Qanunlar
Termokimya kimyəvi reaksiyalar (və ya maddədəki fiziki dəyişikliklər) ilə əlaqəli istilik enerjisi (istilik) arasındakı əlaqəni öyrənən bir elm sahəsidir. Fizika kontekstində termokimya enerji, istilik, iş və maddənin vəziyyətindəki dəyişikliklər anlayışları arasında mühüm körpü rolunu oynayır. Reaksiya baş verdikdə, enerji heç vaxt izsiz "görünmür" və ya "yox olmur". Enerji sadəcə formasını dəyişir: kimyəvi enerjidən istiliyə və ya əksinə - kimyəvi dəyişiklikləri hərəkətə gətirmək üçün istilik udulur. Bunu tənzimləyən prinsiplər reaksiya istiliyinin, enerji səmərəliliyinin və hətta sənaye sisteminin dizaynının hesablanması üçün əsas təşkil edən termokimya qanunlarında ümumiləşdirilir.
Əsas anlayışlar : Sistemlər, Ətraf mühit və Reaksiya İstiliyi
Termokimya qanunlarını anlamaq üçün ilk növbədə sistem və ətraf mühitin təriflərini anlamaq lazımdır. Sistem, öyrəndiyimiz kainatın bir hissəsidir - məsələn, bir qabda reaksiya verən maddələr. Ətraf mühit sistem xaricindəki hər şeydir. Sistem və ətraf mühit arasında enerji mübadiləsi çox vaxt istilik şəklində baş verir.
Reaksiya istiliyi adətən ΔH ilə işarələnən entalpiyanın dəyişməsi kimi ifadə olunur. Entalpiya sabit təzyiqdə sistemin "enerji tərkibini" təmsil edən termodinamik kəmiyyətdir və çox faydalıdır, çünki bir çox reaksiyalar atmosfer təzyiqində baş verir . Ümumiyyətlə:
– Əgər sistem ətraf mühitə istilik buraxırsa, reaksiya ekzotermik və ΔH mənfi olur (ΔH < 0). – Əgər sistem ətraf mühitdən istiliyi udursa, reaksiya endotermik və ΔH müsbət olur (ΔH > 0).
Ekzotermik reaksiyanın sadə bir nümunəsi yanacağın yanması, endotermik reaksiyanın nümunəsi isə fotosintez prosesidir (günəş işığından enerji tələb olunur).
Termokimyanın əsası kimi enerjinin qorunması qanunu
Termokimyanın bütün qanunlarının arxasında fizikanın böyük bir prinsipi dayanır: Termodinamikanın Birinci Qanununun əsasını təşkil edən Enerjinin Qorunması Qanunu. Bu qanun enerjinin nə yaradıla, nə də məhv edilə bildiyini, yalnız dəyişdirilmiş formada olduğunu bildirir. Termodinamik qeydlərdə daxili enerjinin dəyişməsi (ΔU) istilik (Q) və iş (W) ilə aşağıdakı kimi əlaqələndirilir:
ΔU = Q − W
İşin işarəsi və tərifi konvensiyadan asılı olaraq dəyişə bilər, lakin əsas fikir eynidir: əgər sistem istilik alırsa, onun daxili enerjisi artmağa meyllidir; əgər sistem ətraf mühit üzərində işləyirsə, onun daxili enerjisi azalmağa meyllidir. Bir çox termokimyəvi hallarda, xüsusən də sabit təzyiqdə, entalpiya (H) tez-tez istifadə olunur, beləliklə, sabit təzyiqdə istilik ΔH-ə bərabərdir.
Bu təmələ əsaslanaraq, termokimya reaksiyalara sadəcə maddədəki dəyişikliklər kimi deyil, həm də dəqiq hesablana bilən enerjidəki dəyişikliklər kimi baxır.
Hess Qanunu: Reaksiya İstiliyi Yoldan Müstəqildir
Termokimyanın ən vacib qanunlarından biri Hess qanunudur. Bu qanuna görə, reaksiyanın ümumi entalpiya dəyişikliyi yalnız başlanğıc və son vəziyyətlərdən asılıdır, reaksiya yolundan deyil. Bu o deməkdir ki, əgər reaksiya bir neçə mərhələdə baş verə bilərsə, reaktivlər və son məhsullar eyni olduğu müddətcə, istehsal olunan və ya udulan istilik miqdarı (ΔH) birbaşa reaksiyanın istiliyinə bərabər olacaq.
Riyazi olaraq, A → B reaksiyasını aşağıdakılara bölmək olarsa:
– A → C (ΔH₁)
– C → B (ΔH₂)
beləliklə:
ΔH cəmi = ΔH₁ + ΔH₂
Hess qanunu faydalıdır, çünki bir çox reaksiyaların reaksiya istiliyini birbaşa ölçmək çətindir. Reaksiyanı məlumatların mövcud olduğu mərhələlərə bölməklə, ΔH-ni dolayı yolla hesablaya bilərik. Tətbiqi və sənaye fizikasında bu qanun ammonyak istehsalı, metal emalı və hətta batareyalardakı reaksiyalar kimi kimyəvi proseslərin enerji tələbatını proqnozlaşdırmağa kömək edir.
Lavoisier-Laplas Qanunu: Tərs Reaksiyalar ΔH əks işarəyə malikdir
Digər vacib termokimyəvi qanun Lavoisier-Laplas qanunudur və bu qanuna əsasən, bir prosesin reaksiya istiliyi böyüklüyünə bərabər, lakin əks reaksiyanın istiliyinə işarəsi əksdir. Başqa sözlə:
Əgər reaksiya:
A → B ΔH = x-ə bərabərdir,
sonra tərs reaksiya:
B → A ΔH = −x-ə malikdir.
Bu prinsip sadə görünsə də, fundamentaldır. O, enerji dəyişikliklərinin bir vəziyyət simmetriyasına uyğun olduğunu iddia edir: əgər A-dan B-yə müəyyən miqdarda enerji buraxılırsa, B-dən A-ya qayıtmaq üçün eyni miqdarda enerji udulmalıdır. Bu prinsip istilik mühərrikləri, soyuducu sistemlər və molekullar daxilində rabitə enerjilərinin hesablanması da daxil olmaqla enerji dövrlərinin təhlilində istifadə olunur.
Yaranma Entalpiyası və Yanma Entalpiyası
Termokimyəvi hesablamaları asanlaşdırmaq üçün elm adamları standart entalpiyaların bir neçə növünü təyin edirlər:
1. Standart əmələgəlmə entalpiyası (ΔHf°)
Bu, standart şərtlərdə (adətən 1 atm və 25°C) elementlərindən 1 mol birləşmə əmələ gəldikdə entalpiya dəyişikliyidir. Bu dəyər reaksiyanın ΔH hesablanmasında "tikinti bloku"dur.
2. Yanmanın standart entalpiyası (ΔHc°)
Bu, 1 mol maddənin oksigendə tamamilə yanması zamanı baş verən entalpiya dəyişikliyidir. Yanma ümumiyyətlə ekzotermikdir, buna görə də ΔHc° adətən mənfi olur.
Formalaşma entalpiyası məlumatları ilə reaksiyanın entalpiya dəyişikliyi aşağıdakı kimi hesablana bilər:
ΔHreaksiya = Σ(ΔHf° hasili) − Σ(ΔHf° reaktiv)
Bu düstur çox vaxt fiziki kimya və kimyəvi fizikada, xüsusən də standarta yaxın şəraitdə reaksiyaları öyrənərkən istifadə olunur.
Kalorimetriya: Reaksiya İstiliyini Necə Ölçmək olar
Termokimya qanunları yalnız nəzəri deyil, həm də eksperimental olaraq sınaqdan keçirilə bilər. Reaksiya istiliyinin ölçülməsinin əsas üsulu kalorimetriyadır ki, bu da kalorimetrdən istifadə edərək istilik mübadiləsinin ölçülməsidir.
Sadə bir kalorimetriya təcrübəsində , reaksiya nəticəsində ayrılan və ya udulan istilik ətrafdakı suyun və ya digər materialın temperaturunu dəyişdirəcək. Əsas əlaqə belədir:
Q = mc ΔT
ilə:
– Q = istilik (Coul)
– m = kütlə (kq və ya q)
– c = xüsusi istilik (J/kq·K və ya J/q·°C)
– ΔT = temperaturun dəyişməsi
Bomba kalorimetrində yanma reaksiyası sabit həcm saxlayaraq qapalı qabda baş verir. Bu, daha çox daxili enerjinin dəyişməsi (ΔU) ilə əlaqədardır, lakin lazım olduqda ΔH-yə çevrilə bilər.
Fizika və Real Həyatda Uyğunluq
Termokimya tətbiqi fizikaya geniş təsir göstərir. Enerji sahəsində yanacaqların kalorifik dəyərini müəyyən etməyə kömək edir ki, bu da enerji istehsalı, nəqliyyat vasitələrinin mühərrikləri və enerji səmərəliliyinin qiymətləndirilməsi üçün vacibdir. Materialşünaslıqda termokimya sement, polad və ya keramika istehsalında bəzi reaksiyaların niyə yüksək temperatur və çox miqdarda enerji tələb etdiyini izah edir. Ətraf mühit sahəsində yanma istiliyinin hesablanması istixana qazı tullantıları və qlobal istiləşmənin təsirini azaltmaq strategiyaları üçün vacibdir.
Hətta biologiyada belə, termokimya bədənin qidadan enerjini əsasən idarə olunan ekzotermik kimyəvi reaksiyalar olan metabolik reaksiyalar vasitəsilə necə əldə etdiyini izah edir.
Bağlanır
Fizikada termokimya qanunları kimyəvi reaksiyaların və fiziki dəyişikliklərin həmişə ölçülə bilən enerji dəyişiklikləri ilə əlaqəli olduğunu iddia edir. Enerjinin qorunması, Hess qanunu və Lavoisier-Laplas qanununa əsaslanaraq, həm təbii hadisələri anlamaq, həm də sənaye proseslərini dizayn etmək üçün reaksiya istiliyini hesablaya və proqnozlaşdıra bilərik. Termokimya sadəcə düsturlar toplusu deyil, maddədəki hər bir dəyişikliyin həmişə enerji "dəyəri" və ya "məhsuldarlığı" olduğunu göstərən elmi bir perspektivdir. Bu qanunları anlamaq kainatda maddə və enerji arasındakı qarşılıqlı təsirin fundamental təməllərindən birini anlamaq deməkdir.
İstəsəniz, Hess qanunundan və ya ΔHf° məlumatlarından istifadə edərək ΔH-nin hesablanmasına dair addımlarla bir nümunə əlavə edə bilərəm.
