خواستن توانستن است

از خواستن تا توانستن یک قدم است

آن هم دانستن است

ترموديناميک شيميایی

ترمودینامیک : شاخه ای از علم است که به مطالعه گرما و انتقال آن می پردازد .

ترموشیمی : بخشی از ترمودینامیک است که گرما و انتقال آن را در واکنش های شیمیایی مورد مطالعه قرار می دهد .

گرما و دما

هر گاه دو جسم با دماهاي متفاوت با هم تماس حاصل کنند گرما از جسمي که دماي بيشتر دارد به جسمي که دماي کمتري دارد جاري مي شود. بنابر اين مي توان گفت که گرما نوعي انرژي است حال آنکه دما معياري است که ميزان سردي و گرمي اجسام را مشخص مي کند.

انرژی جنبشی حاصل حرکات انتقالی ، چرخشی و ارتعاشی می باشد و انرژی پتانسیل هر ذره خود از انرژی پیوندهای شیمیایی و نیروهای بین مولکولی تشکیل شده است .

نکته 1: انرژی گرمایی به تعداد ذره های سازنده ماده ( به بیان دیگر جرم یا حجم ماده ) بستگی دارد .

نکته 2: بر خلاف انرژی گرمایی ، دما کمیتی است که به تعداد ذره ها بستگی ندارد بلکه به میزان جنبش ذرات بستگی دارد .

نکته 3: اگر انرژی گرمایی جسمی زیاد باشد ، الزاماٌ دمای آن زیاد نیست و برعکس ، اگر دمای جسمی زیاد باشد ، ممکن است انرژی گرمایی آن کم باشد .

مثال1:  یک لیوان آب 100 درجه سانتیگراد و یک استخر آب 25 درجه سانتیگراد را در نظر بگیرید . دمای آب لیوان ، بیشتر از استخر است ولی انرژی گرمایی آب استخر بیش از لیوان است ، زیرا تعداد مولکول های آب استخر بسیار زیادتر از آب لیوان می باشد .

 تست1-   دماي يك گاز تابع.............................. گاز است .

       الف ) شدت چنبش هاي مولكول هاي                      ب)ساختار مولكول هاي    

    ج ) ميزان جاذبه و دافعه ي بين مولكول هاي             د) فشار

 يکاهاي انرژي

يکاها يا واحدهاي رايج انرژي کالري و ژول هستند. کالري مقدار گرماي مورد نياز براي افزايش دماي يک گرم آب خالص به اندازه يک درجه سلسيوس است.

ژول انرژي لازم براي بالا بردن جسمي به جرم  kg۱  به ارتفاع cm 10از سطح زمين است .

براي اندازه گيري مقادير ترموديناميکي بيشتر از kj  و kcal  استفاده مي شود.

ظرفيت گرماي

«ظرفيت گرمايي» يک جسم ، گرماي مورد نياز براي افزايش دماي آن به اندازه يک درجه سلسيوس است. «ظرفيت گرمايي ويژه» گرماي مورد نياز براي افزايش دماي يک گرم از جسمي به اندازه ي يک درجه سلسيوس  است.

يکان ظرفيت گرمايي ويژه   ^۱-C.^1-g . jْ و يا^۱-k.^1-g .j^۱-C.^1-g .   است.

 «ظرفيت گرمايي مولي » مقدار گرماي لازم براي افزايش دماي يک مول از يک ماده به اندازه يک درجه سلسيوس است و يکان  آن  ^۱- C ْ .^۱-  j.mol مي باشد.

که در آن M و m  به ترتیب جرم مولی و جرم ماده  می باشد .

انرژی جنبشی حاصل حرکات انتقالی ، چرخشی و ارتعاشی می باشد و انرژی پتانسیل هر ذره خود از انرژی پیوندهای شیمیایی و نیروهای بین مولکولی تشکیل شده است .

نکته 4: هرچه تعداد راه هایی که ذره های یک ماده بتوانند انرژی کسب منند ( تعداد درجات آزادی ذره ) بیش تر باشد . ظرفیت گرمایی ویژه آن نیز بیشتر خواهد بود .

T(k) = T(ºc)+273                       T(f) = T(ºc)*1.8 + 32

که در آن T(f)دما بر حسب درجه فارنهایت ، T(k) دما برحسب کلوین و T(ºc) دما برحسب دجه سانتی گراد می باشد .

 مثال2 : باkj   ۴۵ انرژي ، دماي چند کيلوگرم آب  c ْ10 ا فزايش مي يابد . ظرفيت گرمايي ويژه آب برابر c ْ^-۱.j.g^-۱   184/4 مي باشد.

حل :

g = mcΔT

۴۵۰0۰ j = m (4.184 .  j . g ^-1 .ْ c ^-1 ) (10ْ c)

 تمرین 1 : به 10 گرم فلز خالصی 25/32 ژول گرما می دهیم تا دمای آن از 20 درجه سانتیگراد به 45 درجه سانتیگراد افزایش یابد . با انجام محاسبه مشخص کنید این فلز کدام یک از مواد جدول زیر است ؟

تمرین2: افزایش دما در محلول حاصل از افزودن 1/0 مولار Ba(OH)₂ به 30 میلی لیتر محلول 1/0 مولار H₂SO₄ برابرT₁∆  اندازه گیری شد . افزایش دما در محلول حاصل از افزودن 90 میلی لیتر از هر دو محلول اولیهT₂∆ اندازه گیری شد . رابطه بین T₁∆و T₂∆ چیست ؟

سامانه (سيستم) و خواص آن

به بخشي از جهان که براي مطالعه انتخاب مي شود، «سامانه» مي گويند. هنگامي که سامانه مشخص شد، هر چيز ديگري که پيرامون آن باشد «محيط» آن سامانه مي نامند.

سامانه بر اساس نوع مبادله ای که با محیطپیرامون خود دارند به سه دسته طبقه بندی می شوند :

سامانه ای که هم انرژی و هم ماده با محیط مبادله می کند سامانه باز نامیده می شود . مانند یک لیوان آب داغ

سامانه ای که فقط انرژی با محیط مبادله می کند و امکان مبادله ماده وجود ندارد سامانه بسته نامیده می شود . مانند یک زودپز داغ

سامانه ای که انرژی و ماده با محیط مبادله نمی کند سامانه منزوی (ایزوله) نامیده می شود . تا حدودی فلاسک

خواص قابل اندازه گيري سامانه مثل حجم، فشار و دما را خواص ترموديناميکي سامانه مي نامند.

 خواص ترموديناميکي :

1- خواص مقداري : به مقدار ماده وابسته است مانند جرم و حجم

2- خواص شدتي : به مقدار ماده بستگي ندارد مانند دماي ذوب و جوش

آزمایش 1 : آزمایشی طراحی کنید که نشان دهد فشار ، حجم ، جرم و دما جزئ خواص مقداری هستند یا شدتی .

حل:  یک بادکنک را پر از هوا (به حجم v لیتر، جرم m ,  دمای T )می کنیم فشار هوای درون بادکنک همان فشار اتمسفری است . حال هوای داخل بادکنک را بطور کامل به دو بادکنک دیگر انتقال می دهیم .

فشار بادکنک 2 و 3 همان فشار اتمسفری است چون اگر کمتر از این بود بادکنک مچاله می شد و اگر بیشتر بود بادکنک می ترکید . پس فشار هیچ تغییری نسبت به حالت اول نداشته است یعنی با تغییر مقدار فشار تغییر نکرده است پس فشار خاصیت شدتی دارد .

حجم و جرم بادکنک های 2 و 3 بطور جداگانه با حجم و جرم بادکنک 1 باهم فرق دارد بطوریکه مجموع حجم و جرم بادکنک های  2 و 3 با بادکنک اولی برابر می باشد  پس حجم و جرم خاصیت مقداری دارند .

دما در تمامی بادکنک ها هیچ تغییری نکرده است که این را با اندازه گیری دما می توان اثبات کرد . پس دما نیز جزئ خاصیت شدتی است .

نکته : از تقسیم دو خاصیت مقداری برهم ، خاصیت شدتی حاصل می شود مانند           نکته : از تقسیم دو خاصیت مقداری برهم ، خاصیت شدتی حاصل می شود  

 جريان انرژي در سامانه

هر ذره در سامانه داراي انرژي جنبشي و پتانسيل است. مجموع اين انرژيها براي ذرات تشکيل دهنده سامانه انرژي دروني سامانه ناميده مي شود. در يک سامانه شيميايي تغيير انرژي دروني ΔE عبارت است از :

 ΔE =  E _پاياني –E_آغازي  =E _{فرآورده}  -E_{مواد اوليه}  =E₂ - E₁