Termokeemilised seadused füüsikas
Termokeemia on teadusharu, mis uurib keemiliste reaktsioonide (või aine füüsikaliste muutuste) ja nendega kaasneva soojusenergia (soojuse) vahelist seost. Füüsika kontekstis on termokeemia oluline sild energia, soojuse, töö ja aine oleku muutuste mõistete vahel. Reaktsiooni toimumise ajal ei "ilmu" ega "kao" energia kunagi jäljetult. Energia lihtsalt muudab vormi: keemilisest energiast soojuseks või vastupidi – soojus neeldub keemiliste muutuste esilekutsumiseks. Seda reguleerivad põhimõtted on kokku võetud termokeemia seadustes, mis moodustavad aluse reaktsioonisoojuste arvutamiseks, energiatõhususeks ja isegi tööstussüsteemide projekteerimiseks.
Põhimõisted: süsteemid, ümbrus ja reaktsioonisoojus
Termokeemia seaduspärasuste mõistmiseks tuleb kõigepealt mõista süsteemi ja ümbruse definitsioone. Süsteem on universumi osa, mida me uurime – näiteks ained, mis reageerivad anumas. Ümbrus on kõik väljaspool süsteemi. Energiavahetus süsteemi ja selle ümbruse vahel toimub sageli soojuse kujul.
Reaktsioonisoojust väljendatakse tavaliselt entalpia muutusega, mida sümboliseerib ΔH. Entalpia on termodünaamiline suurus, mis esindab süsteemi "energiasisaldust" konstantsel rõhul ja on väga kasulik, kuna paljud reaktsioonid toimuvad atmosfäärirõhul. Üldiselt:
– Kui süsteem vabastab ümbritsevasse keskkonda soojust, on reaktsioon eksotermiline ja ΔH on negatiivne (ΔH < 0). - Kui süsteem neelab ümbritsevast keskkonnast soojust, on reaktsioon endotermiline ja ΔH on positiivne (ΔH > 0).
Lihtne näide eksotermilisest reaktsioonist on kütuse põlemine, samas kui endotermilise reaktsiooni näide on fotosünteesi protsess (mis nõuab päikesevalguse energiat).
Energia jäävuse seadus kui termokeemia alus
Kõigi termokeemia seaduste taga peitub suurepärane füüsika printsiip: energia jäävuse seadus, mis formaalselt moodustab termodünaamika esimese seaduse tuuma. See seadus sätestab, et energiat ei saa luua ega hävida, vaid ainult muuta vormi. Termodünaamilises tähistuses on siseenergia muutus (ΔU) seotud soojuse (Q) ja tööga (W) järgmiselt:
ΔU = Q − W
Töö märk ja definitsioon võivad olenevalt konventsioonist erineda, kuid põhiidee on sama: kui süsteem saab soojust, kipub selle siseenergia suurenema; kui süsteem teeb ümbritseva keskkonnaga tööd, kipub selle siseenergia vähenema. Paljudel termokeemilistel juhtudel – eriti konstantsel rõhul – kasutatakse sageli entalpiat (H), nii et soojus konstantsel rõhul on võrdne ΔH-ga.
Selle aluse põhjal ei vaatle termokeemia reaktsioone lihtsalt aine muutustena, vaid energia muutustena, mida saab täpselt arvutada.
Hessi seadus: reaktsioonisoojus on teest sõltumatu
Üks termokeemia olulisemaid seadusi on Hessi seadus. See seadus väidab, et reaktsiooni koguentalpia muutus sõltub ainult alg- ja lõppolekust, mitte reaktsiooni käigust. See tähendab, et kui reaktsioon võib toimuda mitmes etapis, siis on toodetud või neeldunud soojushulk (ΔH) võrdne otsese reaktsiooni soojusega, kui reagendid ja lõppsaadused on samad.
Matemaatiliselt, kui reaktsiooni A → B saab jagada järgmiselt:
– A → C (ΔH₁)
– C → B (ΔH₂)
seega:
ΔH kokku = ΔH₁ + ΔH₂
Hessi seadus on kasulik, kuna paljude reaktsioonide reaktsioonisoojust on raske otse mõõta. Jagades reaktsiooni etappideks, mille kohta andmed on saadaval, saame ΔH kaudselt arvutada. Rakendus- ja tööstusfüüsikas aitab see seadus ennustada keemiliste protsesside, näiteks ammoniaagi tootmise, metalli rafineerimise ja isegi patareides toimuvate reaktsioonide energiavajadust.
Lavoisier-Laplace'i seadus: pöördreaktsioonide ΔH on vastasmärgiline
Teine oluline termokeemiline seadus on Lavoisier-Laplace'i seadus, mis sätestab, et ühe protsessi reaktsioonisoojus on suurusjärgult võrdne, kuid vastupidise märgiga pöördreaktsiooni soojusega. Teisisõnu:
Kui reaktsioon:
A → B puhul on ΔH = x,
siis vastupidine reaktsioon:
B → A korral ΔH = −x.
See põhimõte tundub lihtne, kuid on siiski fundamentaalne. See väidab, et energia muutused järgivad olekusümmeetriat: kui teatud hulk energiat vabaneb punktist A punkti B, siis tuleb punktist B punkti A naasmiseks neelduda sama palju energiat. Seda põhimõtet kasutatakse energiatsüklite analüüsimisel, sealhulgas soojusmasinate, jahutussüsteemide ja molekulidesiseste sidemete energiate arvutamisel.
Moodustumise entalpia ja põlemise entalpia
Termokeemiliste arvutuste hõlbustamiseks määratlevad teadlased mitut tüüpi standardseid entalpiaid:
1. Standardne moodustumisentalia (ΔHf°)
See on entalpia muutus, kui 1 mool ühendit moodustub selle elementidest standardtingimustes (tavaliselt 1 atm ja 25 °C). See väärtus on reaktsiooni ΔH arvutamise "ehituskivi".
2. Standardne põlemisentalpia (ΔHc°)
See on entalpia muutus, mis tekib ühe mooli aine täielikul põlemisel hapnikus. Põlemine on üldiselt eksotermiline, seega on ΔHc° tavaliselt negatiivne.
Moodustumise entalpia andmete abil saab reaktsiooni entalpia muutuse arvutada järgmiselt:
ΔHreaktsioon = Σ(ΔHf° produkt) − Σ(ΔHf° reagent)
Seda valemit kasutatakse väga sageli füüsikalises keemias ja keemilises füüsikas, eriti reaktsioonide uurimisel peaaegu standardsetes tingimustes.
Kalorimeetria: kuidas mõõta reaktsioonisoojust
Termokeemia seadused pole mitte ainult teoreetilised, vaid neid saab ka eksperimentaalselt testida. Reaktsioonisoojuse mõõtmise peamine meetod on kalorimeetria, mis on soojusvahetuse mõõtmine kalorimeetri abil.
Lihtsas kalorimeetriakatses muudab reaktsiooni käigus vabanev või neeldunud soojus ümbritseva vee või muu materjali temperatuuri. Põhiseos on:
Q = mc ΔT
koos:
– Q = soojus (džaulides)
– m = mass (kg või g)
– c = erisoojus (J/kg·K või J/g·°C)
– ΔT = temperatuuri muutus
Pommkalorimeetris toimub põlemisreaktsioon suletud anumas, kus ruumala püsib konstantne. See on pigem seotud siseenergia muutusega (ΔU), kuid vajadusel saab selle teisendada ΔH-ks.
Asjakohasus füüsikas ja päriselus
Termokeemial on rakendusfüüsikas lai mõju. Energiavaldkonnas aitab see määrata kütuste kütteväärtust, mis on oluline energia tootmisel, sõidukimootorites ja energiatõhususe hindamisel. Materjaliteaduses selgitab termokeemia, miks mõned tsemendi, terase või keraamika tootmise reaktsioonid vajavad kõrgeid temperatuure ja suuri energiakoguseid. Keskkonnavaldkonnas on põlemissoojuse arvutamine oluline kasvuhoonegaaside heitkoguste ja globaalse soojenemise mõju leevendamise strateegiate seisukohast.
Isegi bioloogias selgitab termokeemia, kuidas keha saab toidust energiat ainevahetusreaktsioonide kaudu, mis on sisuliselt kontrollitud eksotermilised keemilised reaktsioonid.
Sulgemine
Füüsika termokeemia seadused väidavad, et keemilised reaktsioonid ja füüsikalised muutused on alati seotud mõõdetavate energiamuutustega. Energia jäävuse seaduse, Hessi seaduse ja Lavoisier-Laplace'i seaduse põhjal saame arvutada ja ennustada reaktsioonisoojuseid nii loodusnähtuste mõistmiseks kui ka tööstusprotsesside kavandamiseks. Termokeemia ei ole lihtsalt valemite kogum, vaid teaduslik vaatenurk, mis näitab, et igal aine muutmisel on alati energia "kulu" või "saagis". Nende seaduste mõistmine tähendab aine ja energia vastastikmõju ühe põhialuse mõistmist universumis.
Soovi korral võin lisada näite ΔH arvutamisest Hessi seaduse või ΔHf° andmete abil, koos sammudega.
