თერმოქიმიური კანონები ფიზიკაში

თერმოქიმიური კანონები ფიზიკაში

თერმოქიმია არის მეცნიერების დარგი, რომელიც შეისწავლის ქიმიურ რეაქციებსა (ანუ ნივთიერებაში ფიზიკურ ცვლილებებსა) და მათ თანმხლებ თერმულ ენერგიას (სითბოს) შორის ურთიერთკავშირს. ფიზიკის კონტექსტში, თერმოქიმია მნიშვნელოვან ხიდს წარმოადგენს ენერგიის, სითბოს, მუშაობისა და მატერიის მდგომარეობის ცვლილებების ცნებებს შორის. როდესაც რეაქცია ხდება, ენერგია არასდროს „ჩნდება“ ან „ქრება“ კვალის გარეშე. ენერგია უბრალოდ იცვლის ფორმას: ქიმიური ენერგიიდან სითბოდ, ან პირიქით - სითბო შეიწოვება ქიმიური ცვლილებების განსახორციელებლად. ამის მარეგულირებელი პრინციპები შეჯამებულია თერმოქიმიის კანონებში, რომლებიც საფუძვლად უდევს რეაქციის სითბოს გამოთვლას, ენერგოეფექტურობას და სამრეწველო სისტემის დიზაინსაც კი.

ძირითადი ცნებები: სისტემები, გარემო და რეაქციის სითბო

თერმოქიმიის კანონების გასაგებად, პირველ რიგში, უნდა გავიგოთ სისტემისა და გარემოს განმარტებები. სისტემა არის სამყაროს ის ნაწილი, რომელსაც ჩვენ ვსწავლობთ - მაგალითად, ნივთიერებები, რომლებიც რეაგირებენ ჭურჭელში. გარემო არის ყველაფერი, რაც სისტემის გარეთაა. სისტემასა და მის გარემოს შორის ენერგიის გაცვლა ხშირად სითბოს სახით ხდება.

რეაქციის სითბო, როგორც წესი, გამოისახება ენთალპიის ცვლილებით, რაც სიმბოლურად აღინიშნება ΔH-ით. ენთალპია თერმოდინამიკური სიდიდეა, რომელიც წარმოადგენს სისტემის „ენერგიულ შემცველობას“ მუდმივი წნევის დროს და ძალიან სასარგებლოა, რადგან ბევრი რეაქცია ატმოსფერული წნევის დროს მიმდინარეობს. ზოგადად:

– თუ სისტემა გარემოს სითბოს გამოყოფს, რეაქცია ეგზოთერმულია და ΔH უარყოფითია (ΔH < 0). - თუ სისტემა გარემოდან სითბოს შთანთქავს, რეაქცია ენდოთერმულია და ΔH დადებითია (ΔH > 0).

ეგზოთერმული რეაქციის მარტივი მაგალითია საწვავის წვა, ხოლო ენდოთერმული რეაქციის მაგალითია ფოტოსინთეზის პროცესი (რომელიც მოითხოვს მზის ენერგიას).

ენერგიის შენახვის კანონი, როგორც თერმოქიმიის საფუძველი

თერმოქიმიის ყველა კანონის უკან ფიზიკის დიდი პრინციპი დევს: ენერგიის შენახვის კანონი, რომელიც ფორმალურად თერმოდინამიკის პირველი კანონის ბირთვს წარმოადგენს. ეს კანონი აცხადებს, რომ ენერგია არც წარმოიქმნება და არც ქრება, მხოლოდ იცვლება მისი ფორმა. თერმოდინამიკურ ნოტაციაში შინაგანი ენერგიის (ΔU) ცვლილება დაკავშირებულია სითბოსთან (Q) და მუშაობასთან (W) შემდეგნაირად:

ΔU = Q − W

მუშაობის ნიშანი და განმარტება შეიძლება განსხვავდებოდეს კონვენციის მიხედვით, მაგრამ ძირითადი იდეა იგივეა: თუ სისტემა იღებს სითბოს, მისი შინაგანი ენერგია, როგორც წესი, იზრდება; თუ სისტემა ასრულებს მუშაობას გარემოზე, მისი შინაგანი ენერგია, როგორც წესი, მცირდება. თერმოქიმიურ შემთხვევებში, განსაკუთრებით მუდმივი წნევის დროს, ხშირად გამოიყენება ენთალპია (H), ამიტომ მუდმივი წნევის დროს სითბო უდრის ΔH-ს.

ამ საფუძვლით, თერმოქიმია რეაქციებს განიხილავს არა უბრალოდ მატერიის ცვლილებებად, არამედ ენერგიის ცვლილებებად, რომელთა ზუსტად გამოთვლა შესაძლებელია.

ჰესის კანონი: რეაქციის სითბო დამოუკიდებელია ტრაექტორიისგან

თერმოქიმიის ერთ-ერთი უმნიშვნელოვანესი კანონი ჰესის კანონია. ეს კანონი ამბობს, რომ რეაქციის სრული ენთალპიის ცვლილება დამოკიდებულია მხოლოდ საწყის და საბოლოო მდგომარეობებზე და არა რეაქციის გზაზე. ეს ნიშნავს, რომ თუ რეაქცია შეიძლება რამდენიმე ეტაპად მიმდინარეობდეს, წარმოქმნილი ან შთანთქმული სითბოს რაოდენობა (ΔH) ტოლი იქნება პირდაპირი რეაქციის სითბოს, იმ პირობით, რომ რეაქტიული ნივთიერებები და საბოლოო პროდუქტები ერთნაირია.

მათემატიკურად, თუ რეაქცია A → B შეიძლება დაიყოს შემდეგნაირად:
– A → C (ΔH₁)
– C → B (ΔH₂)

ასე რომ:
ΔH სულ = ΔH₁ + ΔH₂

ჰესის კანონი სასარგებლოა, რადგან ბევრი რეაქციის სითბოს პირდაპირ გაზომვა რთულია. რეაქციის ეტაპებად დაყოფით, რომელთა მონაცემებიც ხელმისაწვდომია, შეგვიძლია ΔH-ის ირიბად გამოთვლა. გამოყენებით და სამრეწველო ფიზიკაში ეს კანონი ხელს უწყობს ქიმიური პროცესების, როგორიცაა ამიაკის წარმოება, ლითონის რაფინირება და ბატარეებში რეაქციებიც კი, ენერგიის მოთხოვნების პროგნოზირებას.

ლავუაზიე-ლაპლასის კანონი: შებრუნებული რეაქციები ΔH-ს საპირისპირო ნიშანი აქვს

კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი თერმოქიმიური კანონია ლავუაზიე-ლაპლასის კანონი, რომელიც აცხადებს, რომ ერთი პროცესის რეაქციის სითბო სიდიდით ტოლია, მაგრამ ნიშნით საპირისპიროა შებრუნებული რეაქციის სითბოსა. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ:

თუ რეაქცია:
A → B-ს აქვს ΔH = x,

შემდეგ საპირისპირო რეაქცია:
B → A-ს აქვს ΔH = −x.

ეს პრინციპი, ერთი შეხედვით, მარტივია, მაგრამ ფუნდამენტურია. იგი ამტკიცებს, რომ ენერგიის ცვლილებები მდგომარეობის სიმეტრიას მიჰყვება: თუ A-დან B-ში ენერგიის გარკვეული რაოდენობა გამოიყოფა, მაშინ B-დან A-ში დასაბრუნებლად იგივე რაოდენობის ენერგია უნდა შეიწოვოს. ეს პრინციპი გამოიყენება ენერგეტიკული ციკლების ანალიზში, მათ შორის სითბური ძრავების, სამაცივრო სისტემების და მოლეკულებში ბმების ენერგიების გამოთვლებში.

ფორმირების ენთალპია და წვის ენთალპია

თერმოქიმიური გამოთვლების გასაადვილებლად, მეცნიერები განსაზღვრავენ სტანდარტული ენთალპიების რამდენიმე ტიპს:

1. ფორმირების სტანდარტული ენთალპია (ΔHf°)
ეს არის ენთალპიის ცვლილება, როდესაც ნაერთის 1 მოლი წარმოიქმნება მისი ელემენტებისგან სტანდარტულ პირობებში (ჩვეულებრივ 1 ატმ და 25°C). ეს მნიშვნელობა წარმოადგენს „სამშენებლო მასალას“ რეაქციის ΔH-ის გამოთვლისას.

2. წვის სტანდარტული ენთალპია (ΔHc°)
ეს არის ენთალპიის ცვლილება, როდესაც ნივთიერების 1 მოლი მთლიანად იწვის ჟანგბადში. წვა, როგორც წესი, ეგზოთერმულია, ამიტომ ΔHc°, როგორც წესი, უარყოფითია.

ფორმირების მონაცემების ენთალპიის გამოყენებით, რეაქციის ენთალპიის ცვლილების გამოთვლა შესაძლებელია შემდეგნაირად:

ΔH რეაქცია = Σ(ΔHf° პროდუქტი) − Σ(ΔHf° რეაქტანტი)

ეს ფორმულა ძალიან ხშირად გამოიყენება ფიზიკურ ქიმიასა და ქიმიურ ფიზიკაში, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც რეაქციების შესწავლა ხდება სტანდარტულ პირობებში.

კალორიმეტრია: როგორ გავზომოთ რეაქციის სითბო

თერმოქიმიის კანონები არა მხოლოდ თეორიულია, არამედ მათი ექსპერიმენტულად შემოწმებაც შესაძლებელია. რეაქციის სითბოს გაზომვის ძირითადი ტექნიკაა კალორიმეტრია, რაც სითბოს გაცვლის გაზომვას კალორიმეტრის გამოყენებით წარმოადგენს.

მარტივი კალორიმეტრიული ექსპერიმენტის დროს, რეაქციის შედეგად გამოყოფილი ან შთანთქმული სითბო შეცვლის მიმდებარე წყლის ან სხვა მასალის ტემპერატურას. ძირითადი დამოკიდებულება ასეთია:

Q = mc ΔT

თან:
– Q = სითბო (ჯოულები)
– m = მასა (კგ ან გ)
– c = სპეციფიკური სითბო (ჯ/კგ·კ ან ჯ/გ·°C)
– ΔT = ტემპერატურის ცვლილება

ბომბის კალორიმეტრში წვის რეაქცია დახურულ კონტეინერში მიმდინარეობს, მუდმივი მოცულობის შენარჩუნებით. ეს უფრო შინაგანი ენერგიის ცვლილებას (ΔU) უკავშირდება, მაგრამ საჭიროების შემთხვევაში შეიძლება ΔH-ში გარდაიქმნას.

ფიზიკასა და რეალურ ცხოვრებაში აქტუალობა

თერმოქიმიას ფართო გავლენა აქვს გამოყენებით ფიზიკაზე. ენერგეტიკის სფეროში ის ხელს უწყობს საწვავის კალორიულობის დადგენას, რაც გადამწყვეტია ენერგიის გენერაციის, ავტომობილების ძრავებისა და ენერგოეფექტურობის შეფასებისთვის. მასალათმცოდნეობაში თერმოქიმია ხსნის, თუ რატომ მოითხოვს ცემენტის, ფოლადის ან კერამიკის წარმოების ზოგიერთი რეაქცია მაღალ ტემპერატურას და ენერგიის დიდ რაოდენობას. გარემოსდაცვით სფეროში წვის სითბოს გამოთვლა მნიშვნელოვანია სათბურის გაზების გამოყოფასთან და გლობალური დათბობის ზემოქმედების შესამცირებლად შემუშავებულ სტრატეგიებთან მიმართებაში.

ბიოლოგიაშიც კი, თერმოქიმია ხსნის, თუ როგორ იღებს სხეული ენერგიას საკვებიდან მეტაბოლური რეაქციების საშუალებით, რომლებიც არსებითად კონტროლირებადი ეგზოთერმული ქიმიური რეაქციებია.

დახურვა

ფიზიკაში თერმოქიმიის კანონები ამტკიცებს, რომ ქიმიური რეაქციები და ფიზიკური ცვლილებები ყოველთვის დაკავშირებულია გაზომვად ენერგიის ცვლილებებთან. ენერგიის შენახვის, ჰესის კანონისა და ლავუაზიე-ლაპლასის კანონის საფუძველზე, ჩვენ შეგვიძლია გამოვთვალოთ და ვიწინასწარმეტყველოთ რეაქციის სითბოები, როგორც ბუნებრივი მოვლენების გასაგებად, ასევე სამრეწველო პროცესების დიზაინისთვის. თერმოქიმია არ არის უბრალოდ ფორმულების ერთობლიობა, არამედ სამეცნიერო პერსპექტივა, რომელიც აჩვენებს, რომ მატერიის ყველა ცვლილებას ყოველთვის აქვს ენერგიის „ღირებულება“ ან „მოსავლიანობა“. ამ კანონების გაგება ნიშნავს სამყაროში მატერიასა და ენერგიას შორის ურთიერთქმედების ერთ-ერთი ფუნდამენტური საფუძვლის გაგებას.

თუ გსურთ, შემიძლია ჰესის კანონის ან ΔHf° მონაცემების გამოყენებით ΔH-ის გამოთვლის მაგალითი დავამატო ნაბიჯებით.