Laghan teirme-cheimigeach ann am fiosaig
'S e meur de shaidheans a th' ann an teirme-cheimigeachd a bhios a' sgrùdadh a' cheangail eadar ath-bheachdan ceimigeach (no atharrachaidhean corporra ann an stuth) agus an lùth teirmeach (teas) a tha na chois. Ann an co-theacsa fiosaigs, tha teirme-cheimigeachd na drochaid chudromach eadar bun-bheachdan lùth, teas, obair, agus atharrachaidhean ann an staid stuth. Nuair a thachras ath-bhualadh, cha bhith lùth a-riamh dìreach a' "nochdadh" no a' "dol à sealladh" gun lorg. Bidh lùth dìreach ag atharrachadh cruth: bho lùth ceimigeach gu teas, no a chaochladh - tha teas air a ghabhail a-steach gus atharrachaidhean ceimigeach a bhrosnachadh. Tha na prionnsapalan a tha a' riaghladh seo air an geàrr-chunntas ann an laghan teirme-cheimigeachd, a tha nam bunait airson teas ath-bhualadh, èifeachdas lùtha, agus eadhon dealbhadh siostam gnìomhachais obrachadh a-mach.
Bun-bheachdan: Siostaman, Timcheall, agus Teas Ath-bhualadh
Gus tuigse fhaighinn air laghan teirme-cheimigeachd, is e a’ chiad rud a dh’fheumar a thuigsinn mìneachaidhean air siostam agus àrainneachd. Is e siostam am pàirt den chruinne-cè a tha sinn a’ sgrùdadh—mar eisimpleir, na stuthan a tha ag ath-fhreagairt ann an soitheach. Is e an àrainneachd a h-uile càil taobh a-muigh an t-siostaim. Bidh iomlaid lùtha eadar siostam agus na tha timcheall air gu tric a’ tachairt ann an cruth teas.
Mar as trice, bidh teas an ath-bhualaidh air a chur an cèill mar an t-atharrachadh ann an entalpy, air a shamhlachadh le ΔH. 'S e meud teirmeadainimigeach a th' ann an entalpy a tha a' riochdachadh "susbaint lùtha" siostam aig cuideam cunbhalach, agus tha e glè fheumail leis gu bheil mòran ath-bhualaidhean a' tachairt aig cuideam àile. San fharsaingeachd:
– Ma leigeas an siostam teas a-mach don àrainneachd, tha an ath-bhualadh eisitearmach agus tha ΔH àicheil (ΔH < 0). - Ma ghabhas an siostam teas a-steach bhon àrainneachd, tha an ath-bhualadh endothermach agus tha ΔH deimhinneach (ΔH > 0).
Is e eisimpleir sìmplidh de ath-bhualadh exothermic losgadh connaidh, agus is e eisimpleir de ath-bhualadh endothermic am pròiseas foto-co-chur (a dh’ fheumas lùth bho sholas na grèine).
Lagh Glèidhteachais Lùtha mar Bhunait Teirmea-cheimigeachd
Air cùl laghan teirme-cheimigeachd uile tha prionnsapal mòr fiosaigs: Lagh Glèidhteachais Lùtha, a tha gu foirmeil a’ cruthachadh cridhe a’ Chiad Lagh de Thermodynamics. Tha an lagh seo ag ràdh nach gabh lùth a chruthachadh no a sgrios, ach nach gabh a chruth atharrachadh. Ann an comharradh teirme-dynamic, tha an t-atharrachadh ann an lùth a-staigh (ΔU) co-cheangailte ri teas (Q) agus obair (W) le:
ΔU = Q − W
Dh’fhaodadh soidhne agus mìneachadh obrach atharrachadh a rèir gnàthasan, ach tha am bun-bheachd mar an ceudna: ma gheibh siostam teas, bidh an lùth a-staigh aige buailteach a dhol am meud; ma nì an siostam obair air na tha mun cuairt, bidh an lùth a-staigh aige buailteach a dhol sìos. Ann am mòran chùisean teirmeach-cheimigeach - gu sònraichte aig cuideam cunbhalach - thathas gu tric a’ cleachdadh enthalpy (H), gus am bi teas aig cuideam cunbhalach co-ionann ri ΔH.
Leis a’ bhunait seo, chan eil teirm-cheimigeachd a’ faicinn ath-bheachdan dìreach mar atharrachaidhean ann an stuth, ach mar atharrachaidhean ann an lùth a ghabhas obrachadh a-mach gu mionaideach.
Lagh Hess: Tha teas ath-bhualadh neo-eisimeileach bhon t-slighe
Is e Lagh Hess aon de na laghan as cudromaiche ann an teirme-cheimigeachd. Tha an lagh seo ag ràdh gu bheil an t-atharrachadh entalpy iomlan ann an ath-bhualadh an urra ris na staidean tùsail agus deireannach a-mhàin, chan ann air slighe an ath-bhualadh. Tha seo a’ ciallachadh ma dh’ fhaodas ath-bhualadh tachairt ann an grunn cheumannan, bidh an ìre teas (ΔH) a thèid a thoirt a-mach no a ghabhail a-steach co-ionann ri teas an ath-bhualadh dhìreach, fhad ‘s a tha na luchd-freagairt agus na toraidhean deireannach mar an ceudna.
Gu matamataigeach, ma ghabhas an ath-bhualadh A → B a bhriseadh sìos ann an:
– A → C (ΔH₁)
– C → B (ΔH₂)
mar sin:
ΔH iomlan = ΔH₁ + ΔH₂
Tha Lagh Hess feumail leis gu bheil e doirbh teas ath-bhualadh mòran ath-bheachdan a thomhas gu dìreach. Le bhith a’ briseadh sìos an ath-bhualadh ann an ceumannan airson a bheil dàta ri fhaighinn, is urrainn dhuinn ΔH obrachadh a-mach gu neo-dhìreach. Ann am fiosaig gnìomhaichte agus gnìomhachais, bidh an lagh seo a’ cuideachadh le bhith a’ ro-innse riatanasan lùtha phròiseasan ceimigeach, leithid cinneasachadh ammonia, grinneachadh meatailt, agus eadhon na h-ath-bheachdan ann am bataraidhean.
Lagh Lavoisier–Laplace: Tha ΔH le soidhne mu choinneamh aig ath-bheachdan cùil
Is e lagh teirme-cheimigeach cudromach eile Lagh Lavoisier-Laplace, a tha ag ràdh gu bheil teas ath-bhualadh aon phròiseis co-ionann ann am meud ach mu choinneamh ann an comharra ri teas an ath-bhualadh cùil. Ann am faclan eile:
Ma tha an ath-bhualadh:
Tha ΔH = x aig A → B,
an uairsin an ath-bhualadh cùil:
Tha ΔH = −x aig B → A.
Tha am prionnsabal seo a’ coimhead sìmplidh, ach tha e bunaiteach. Tha e ag ràdh gu bheil atharrachaidhean lùtha a’ leantainn co-chothromachd stàite: ma thèid meud sònraichte de lùth a leigeil ma sgaoil bho A gu B, feumar an aon uiread de lùth a ghabhail a-steach gus tilleadh bho B gu A. Tha am prionnsabal seo air a chleachdadh ann an sgrùdadh chuairtean lùtha, a’ gabhail a-steach einnseanan teas, siostaman fuarachaidh, agus àireamhachadh lùths ceangail taobh a-staigh mholacilean.
Enthalpaidh Cruthachaidh agus Enthalpaidh Losgaidh
Gus àireamhachadh teirme-cheimigeach a dhèanamh nas fhasa, tha luchd-saidheans a’ mìneachadh grunn sheòrsaichean de entalpaidhean àbhaisteach:
1. Enthalpaidh àbhaisteach cruthachaidh (ΔHf°)
Is e seo an t-atharrachadh entalpaidh nuair a chruthaichear 1 mòl de cho-thàthadh bho na h-eileamaidean aige fo chumhachan àbhaisteach (mar as trice 1 atm agus 25°C). Is e an luach seo am "bloigh togail" ann a bhith ag obrachadh a-mach ΔH ath-bhualadh.
2. Enthalpaidh àbhaisteach losgaidh (ΔHc°)
’S e an t-atharrachadh entalpaidh a th’ ann nuair a thèid 1 mòl de stuth a losgadh gu tur ann an ocsaidean. Mar as trice bidh losgadh eas-theirmeach, agus mar sin mar as trice bidh ΔHc° àicheil.
Le dàta enthalpy an t-sruthachaidh, faodar atharrachadh enthalpy an ath-bhualaidh obrachadh a-mach tro:
ΔHreaction = Σ(toradh ΔHf°) − Σ(reactant ΔHf°)
Bithear a’ cleachdadh na foirmle seo gu math tric ann an ceimigeachd fiosaigeach agus fiosaig cheimigeach, gu h-àraidh nuair a thathar a’ sgrùdadh ath-bheachdan fo chumhachan faisg air àbhaisteach.
Calorimetry: Mar a thomhaiseas tu teas an ath-bhualadh
Chan e a-mhàin gu bheil laghan teirme-cheimigeachd teòiridheach ach faodar an deuchainn gu deuchainneach cuideachd. Is e calorimetry am prìomh dhòigh airson teas ath-bhualadh a thomhas, is e sin tomhas iomlaid teas le bhith a’ cleachdadh calorimeter.
Ann an deuchainn calorimeatraidh shìmplidh, atharraichidh an teas a thèid a leigeil ma sgaoil no a ghabhail a-steach le ath-bhualadh teòthachd an uisge no stuth eile mun cuairt. Is e seo am bun-cheangal:
Q = mc ΔT
le:
– Q = teas (Joules)
– m = mais (kg no g)
– c = teas sònraichte (J/kg·K no J/g·°C)
– ΔT = atharrachadh ann an teòthachd
Ann an caloriméadar boma, bidh an ath-bhualadh losgaidh a’ tachairt ann an soitheach dùinte, a’ cumail meud seasmhach. Tha seo nas co-cheangailte ris an atharrachadh ann an lùth a-staigh (ΔU), ach faodar a thionndadh gu ΔH ma tha sin riatanach.
Buntainneachd ann am Fiosaigs agus Beatha Fìor
Tha buaidh mhòr aig teirme-cheimigeachd ann am fiosaigs gnìomhaichte. Ann an raon an lùtha, bidh e a’ cuideachadh le bhith a’ dearbhadh luach caloraigeach connadh, rud a tha deatamach airson gineadh cumhachd, einnseanan charbadan, agus measadh èifeachdas lùtha. Ann an saidheans stuthan, tha teirme-cheimigeachd a’ mìneachadh carson a dh’ fheumas cuid de ath-bheachdan ann an saothrachadh saimeant, stàilinn, no ceirmeag teòthachd àrd agus meudan mòra lùtha. Ann an raon na h-àrainneachd, tha obrachadh a-mach teas losgaidh buntainneach do sgaoilidhean gasa taigh-glainne agus ro-innleachdan gus buaidh blàthachadh na cruinne a lughdachadh.
Eadhon ann am bith-eòlas, tha teirm-cheimigeachd a’ mìneachadh mar a gheibh a’ bhodhaig lùth bho bhiadh tro ath-bheachdan metabolach a tha gu ìre mhòr nan ath-bheachdan ceimigeach exothermic fo smachd.
Penutup
Tha laghan teirme-cheimigeachd ann am fiosaig ag ràdh gu bheil ath-bhualaidhean ceimigeach agus atharrachaidhean corporra an-còmhnaidh co-cheangailte ri atharrachaidhean lùtha a ghabhas tomhais. Stèidhichte air glèidhteachas lùtha, lagh Hess, agus lagh Lavoisier-Laplace, is urrainn dhuinn teas ath-bhualaidh obrachadh a-mach agus a ro-innse, an dà chuid airson tuigse fhaighinn air iongantas nàdarra agus airson pròiseasan gnìomhachais a dhealbhadh. Chan e dìreach cruinneachadh de fhoirmlean a th’ ann an teirme-cheimigeachd, ach sealladh saidheansail a tha a’ sealltainn gu bheil “cosgais” no “toradh” lùtha an-còmhnaidh aig gach atharrachadh ann an stuth. Tha tuigse air na laghan sin a’ ciallachadh a bhith a’ tuigsinn aon de na bunaitean bunaiteach den eadar-obrachadh eadar stuth agus lùth anns a’ chruinne-cè.
Ma thogras tu, is urrainn dhomh eisimpleir a chur ris de bhith a’ tomhas ΔH a’ cleachdadh Lagh Hess no dàta ΔHf°, còmhla ri ceumannan.
