כימיה כללית ופיזיקאלית לתלמידי רפואה תרגול מס' 9 – תרמודינמיקה כימיה כללית ופיזיקאלית לתלמידי רפואה תרגול מס' 9 – תרמודינמיקה מתרגל: אלעד מנטוביץ'

תרמודינמיקה בתרמודינמיקה מתארים את המערכת בעזרת פרמטרים מאקרוסקופיים (טמפ', האנרגיה הפוטנציאלית, נפח, לחץ...). תרמודינמיקה- מדע המתייחס למצב המערכת בתנאים מסויימים תנאי המערכת- נקודת מבט מאקרוסקופית: לחץ, טמ"פ, נפח וכו' פונקצית מצב- תכונה של המערכת התלויה במצב המערכת ולא במסלול בו הגיעה המערכת לאותו מצב בעזרת התרמודינמיקה ניתן לענות על: האם התהליך יכול להתרחש? כמה אנרגיה ניתן להפיק מהתהליך? לאיזה כיוון תלך הריאקציה?

מערכת וסביבה התרמודינמיקה מחלקת את היקום לשני חלקים: מערכת – חלק של היקום בו מתרחש הניסוי. סביבה – כל שאר היקום המקיף את המערכת. המערכת יכולה להחליף חום וחומר עם הסביבה

סוגי מערכות פתוחה – יש מעבר חום וחומר פתוחה – יש מעבר חום וחומר סגורה – יש מעבר חום, אין מעבר חומר אדיאבטית – אין מעבר חום וחומר, אך יש מעבר אנרגיה באמצעות עבודה מבודדת – אין מעבר חום וחומר

תהליכים תהליכים הם אירועים המתרחשים במערכת ומשנים את מצבה. למערכת בשו"מ יש תכולה אנרגטית מסוימת. ע"י תהליכי חימום/קירור או עבודה ניתן לשנות את האנרגיה של המערכת. עבודה,חום – תהליכים אנרגיה,טמפ', לחץ – מצב השינוי באנרגיה לא חייב להיות שווה לעבודה שהושקעה. בד"כ יש פליטה/בליעה של חום.

סוגי תהליכים תהליך הפיך (רוורסיבלי) – תהליך בו פונקציות המצב משתנות באופן מזערי מרגע לרגע. התהליך חל באין ספור צעדים אינפיטיסימלים, כל צעד הינו כה זעיר כך שניתן לחזור למצב הקודם. תהליך בלתי הפיך (ספונטני) – תהליך היוצא לפועל במספר סופי ומוגדר של צעדים.

עבודהw - עבודה = כח x דרך עבודה היא מעבר של אנרגיה. בתרמודינמיקה רוצים לדעת מה העבודה שהסביבה מבצעת/מקבלת ולכן תמיד מסתכלים על הכח החיצוני. סימונים: המערכת מבצעת עבודה על הסביבה: -w הסביבה עושה עבודה על המערכת: +w עבודת התפשטות/דחיסה (בהנחת לחץ חיצוני קבוע): W=-Pex·V

העבודה ביחידות SI: w עבודה [J] F כח [N] x מרחק [m] Pext לחץ (חיצוני) [Pa] V נפח [m3]

עבודה והפיכות התהליך בתהליך ספונטני: בתהליך הפיך: (תחת לחץ חיצוני קבוע) בתהליך הפיך: (של גז אידאלי בטמפרטורה קבועה) עבודות התפשטות בין אותם נפחים ואותם לחצים יכולות להיות שונות אחת מהשניה! => עבודה תלויה במסלול => עבודה אינה פ' מצב. מדוע העבודות שונות? כי בתהליך מעורבים חילופי חום שמשפיעים על העבודה. למעשה הנוסחאות הנ"ל הן לתהליך התפשטות/דחיסה תחת לחץ חיצוני קבוע ולתהליך התפשטות דחיסה של גז אידאלי בטמפרטורה קבועה (בהתאמה). בד"כ (אצלנו לפחות) בתהליך ספונטני יהיה מצב א' ובתהליך הפיך יהיה מצב ב'.

חום q - חום הוא גם מעבר של אנרגיה. מעבר אנרגיה זה יכול להתבטא במספר אופנים: -שינוי מצב צבירה -שינוי טמפ' -ביצוע עבודה סימונים: כשחום עובר מהמערכת לסביבה: -q כשחום עובר מהסביבה למערכת: +q

קיבול חום סגולי קיבול חום- האנרגיה הדרושה כדי להעלות את הטמפ' של מערכת ב 1°C קיבול חום סגולי- תכונה אופיינית לחומר. האנרגיה הדרושה כדי להעלות את הטמפ' של 1 גרם חומר ב 1°C q חום [J] m מסה [gr] c קיבול חום סגולי [°C [J/gr* ΔT הפרש טמפ' [°C] Cm חום היתוך/ רתיחה מולרי- כמות החום הדרושה להיתוך/ רתיחה של 1 מול של חומר בטמפ' קבועה (טמפ' ההיתוך/ הרתיחה)

תרגילים 2.500 mol מים מתאדים בנקודת הרתיחה שלהם בלחץ של 1.000atm. המים נמצאים בגליל עם בוכנה והאידוי מתרחש עקב חימום המערכת. הבוכנה נעה ללא חיכוך כך שהלחץ הפנימי נשאר קבוע. מהי העבודה שנעשתה? נתון: תהליך אידוי בנקודת הרתיחה הינו תהליך ש"מ- תהליך הפיך. אולם, לא ניתן להשתמש בנוסחה לעבודה הפיכה w=nRTln(v2/v1) כיוון שנוסחא זו תקיפה רק כאשר העבודה נעשית ע"י גז אדאלי (ובנוסף – כאשר יש שינוי בלחץ הפנימי. כאן זה לא המצב). העבודה נעשית כאן תחת לחץ חיצוני קבוע (נתון שהלחץ הפנימי קבוע והוא שווה בכל רגע ללחץ החיצוני- תהליך ש"מ) ולכן נשתמש בנוסחה:

כדי למצוא את V1 יש לחשב את מסת המים:

2.כמות של 1 מול של בלחץ של 1Atm וטמפרטורה של מתפשט לתוך ואקום שניפחו 2.5liter כמה עבודה מבצע הגז ? בהתפשטות כנגד ואקום אין כוח חיצוני שמתנגד ולכן המערכת לא מבצעת עבודה, w=0.

3. 20.00gr מים ב –10.0°C עורבבו עם 40.00gr מים בטמפרטורה נתון: כמות החום שאיבדו המים החמים שווה לכמות החום שקלטו המים הקרים (מערכת מבודדת-אין מעבר חום לסביבה)

החוק ה-I של התרמודינמיקה E = q + w E - אנרגיה פנימית - סך האנרגיה בחומר (קינטית + פוטנציאלית). q - החום המעורב בתהליך w - העבודה המעורבת בתהליך

אנטלפיה – Enthalpy (H) הגדרה: H=E+PV גודל זה מאד שימושי במצבים בהם הלחץ קבוע Qp (המצב הנפוץ בטבע) כי אז: dH=dQp ו H=Qp H – כמות החום שמעורבת בריאקציה תחת לחץ קבוע

תרגילים 5. גז חומם בבוכנה ע"י קבלת כמות חום של 7000J, אם נפח הבוכנה גדל מ ml700 ל –1450ml כנגד לחץ חיצוני של 750torr מהו השינוי באנרגיה הפנימית? נתון: התפשטת ספונטנית כנגד לחץ חיצוני קבוע ולכן: האנרגיה הפנימית:

6. דוחסים גז אידאלי מנפח התחלתי של 8.40L ל- 4.20L, ע"י הפעלת לחץ קבוע של 1.50atm. במהלך הדחיסה המערכת מפסידה 830J בצורת חום. חשבו את השינוי באנרגיה הפנימית של המערכת. האם חלה ירידה בטמפרטורה של הגז? נתון: עבודת דחיסה בלחץ חיצוני קבוע: כמות החום "שנלקחה" מהמערכת גדולה מהעבודה שבוצעה על המערכת, כך שסכך האנרגיה הפנימית ירדה. ירידה זו גרמה לשינוי בטמפ', כלומר להורדתה.

אנתלפיה H האנתלפיה היא פונקצית מצב H אנתלפיה E אנרגיה פנימית V נפח [m3] P לחץ [Pa] עבור תהליך שמתבצע בטמפ' ולחץ קבועים, ומתבצעת בו עבודת התפשטות/דחיסה בלבד, מתקבל:

אנתלפיית יצירה - שינוי האנתלפיה בתהליך היצירה של מול אחד של חומר במצב הטבעי שלו מהיסודות המרכיבים אותו במצבם בתנאים תקניים של לחץ וטמפ'. p תוצרים r מגיבים v מקדמים סטוכיומטריים אנתלפיית שריפה - שינוי האנתלפיה בתהליך שריפה של מול אחד של חומר.

חוק הס חוק הס – כמות החום המעורבת בתהליך המבוצע תחת לחץ קבוע, תהיה שווה מבלי להתחשב בדרך בה ביצענו את התהליך. ΔH° - כמות החום המעורבת בתהליכים שבהם המגיבים והתוצרים נמצאים במצב סטנדרטי. בד"כ הערכים נתונים עבור 1 מול תגובה בטמפ' החדר (298K). במצב סטנדרטי לחץ הגזים= 1atm וריכוז תמיסות הוא 1M. כללים ליישום חוק הס- כאשר מכפילים תגובה מאוזנת במספר כלשהו ה ΔH מוכפל פי אותו מספר. כאשר הופכים תגובה, ΔH משנה סימן. כאשר מחברים מספר תגובות, מחברים את ה ΔH שלהן.

הגדרות תהליך איזותרמי- מתרחש בטמפ' קבועה תהליך איזוברי- מרחש בלחץ קבוע תהליך איזוכורי- מתרחש בנפח קבוע תהליך אדיאבטי- אין מעבר של חום תהליך אנדותרמי – קליטת אנרגיה מהסביבה למערכת, עליה באנרגיה הפנימית, ירידה בטמ"פ הסביבה. תהליך אקסותרמי – פליטת אנרגיה מהמערכת לסביבה, ירידה באנרגיה הפנימית, עליה בטמ"פ הסביבה.

7. 1. 00mol של גז אידאלי בטמפרטורה של 298K מתפשט מ- 8. 00L ו- 3 7. 1.00mol של גז אידאלי בטמפרטורה של 298K מתפשט מ- 8.00L ו- 3.00atm לנפח של 20.00L ולחץ של 1.20atm בשני מסלולים שונים: מסלול ראשון- התפשטות איזותרמית הפיכה. מסלול שני- שלב א':מקררים הגז בנפח קבוע עד שלחצו יורד ל- 1.20atm. שלב ב': מחממים הגז ומניחים לו להתפשט כנגד לחץ קבוע של 1.20atm עד שנפחו מגיע ל- 20.00L. מהם w,q,ΔE בשני המסלולים? השוו את שני המסלולים. נתון:

א.התפשטות איזותרמית הפיכה של גז אידאלי: ב.בשלב הראשון הנפח לא השתנה ולא בוצעה עבודה. בשלב השני-בוצעה עבודה ע"י התפשטות ספונטנית כנגד לחץ חיצוני קבוע:

השינוי באנרגיה הפנימית בגז אידיאלי בתהליך איזותרמי שווה לאפס, לכן בשני המסלולים מתקיים: השוואה בין שני המסלולים: האנרגיה הפנימית היא פונ' מצב , ערכה לא תלוי במסלול ולכן בשני המסלולים היא זהה. חום ועבודה הם לא פונ' מצב, הם תלויי מסלול ולכן התקבלו בערכים שונים בשני המסלולים. ניתן לראות כי העבודה שביצעה המערכת במסלול השני-המסלול הספונטני נמוכה מהעבודה שביצעה במסלול ההפיך. זאת משום הכוח הנגדי במסלול ב' גדול מבמסלול א'

4. 20gr קרח מתאדים ב - -14.0°C חוממו עד להפיכתם לאדים בטמפרטורה של 110.0°C . חשבו את כמות החום שהושקע. נתון:

כמות החום המושקעת משתנה לפי מצב הצבירה של המים, לכן נחשב אותה לפי 5 שלבים שונים:

8. חשבו את של נתון: התהליך המבוקש-תהליך הווצרות CCl4: 8. חשבו את של נתון: התהליך המבוקש-תהליך הווצרות CCl4: כדי לקבל את התגובה הרצויה יש להחסיר מתגובות 1 ו 2 ארבע פעמים את תגובה 3: