Eantalpacht agus Calraiméadracht: Teas Imoibrithe a Thomhas

An teorainn idir córas agus timpeallacht a tharraingt

Tosaíonn gach ríomh fuinnimh le córas a roghnú, na ceimiceáin imoibrithe de ghnáth. Is é gach rud eile an timpeallacht, rud a chiallaíonn go príomha an t-uisce nó an tuaslagán agus an t-árthach i gcalraiméadar. Is féidir le fuinneamh an teorainn a thrasnú mar theas, q, nó mar obair, w, agus is é ΔU = q + w an t-athrú ar fhuinneamh inmheánach an chórais.

Sainmhínítear eantalpacht, H = U + PV, ionas go bhfuil a hathrú comhionann leis an teas a mhalartaítear ag brú seasta nuair nach bhfuil de dhíth ach obair leathnaithe: ΔH = q_p. Toisc go dtarlaíonn an chuid is mó den cheimic bhinse ag brú atmaisféarach beagnach seasta, tábláiríonn ceimiceoirí eantalpacht seachas fuinneamh inmheánach.

Coinbhinsiúin chomharthaí do theas agus d'eantalpacht

Scríobhtar comharthaí ó dhearcadh an chórais i gcónaí. Tá teas a shníonn isteach sa chóras dearfach; tá teas a shníonn amach diúltach. Scaoileann imoibriú eisiteirmeach teas leis an timpeallacht, mar sin tá a ΔH diúltach agus téann an timpeallacht in airde teocht. Glacann imoibriú inteirmeach teas isteach, mar sin tá a ΔH dearfach agus fuaraíonn an timpeallacht.

I gcalraiméadar tomhaiseann tú an timpeallacht, ní an t-imoibriú. Má ardaíonn teocht an uisce, ghnóthaigh an t-uisce teas, agus chaill an t-imoibriú an méid sin go beacht. Tugann sé seo an príomhghaol i gcalraiméadracht: q_imoibriú = −q_timpeallacht.

Toilleadh teasa agus an chothromóid q = mcΔT

Is é q = mcΔT an teas a theastaíonn chun teocht substainte a athrú, áit arb é m an mhais, c an teas sonrach (an teas a theastaíonn chun gram amháin a théamh céim amháin), agus ΔT = T_deiridh − T_tosaigh. Is ionann athrú aon chéim Celsius agus athrú aon kelvin, mar sin tá an luach céanna ag ΔT ar an dá scála. Tagann teasanna sonracha a úsáidtear thíos ó Tábla 5.1 OpenStax Chemistry 2e, arna dtomhas in aice le 25 °C; d'uisce leachtach, c = 4.184 J/(g·°C).

Sampla oibrithe 1. Cé mhéad teasa a ardaíonn bloc sileacain 310.0 g ó 24.5 °C go 160.0 °C? Is é 0.712 J/(g·°C) teas sonrach sileacain. ΔT = 160.0 − 24.5 = 135.5 °C. q = (310.0 g)(0.712 J/(g·°C))(135.5 °C) = 2.99 × 10⁴ J, nó 29.9 kJ. Tá trí fhigiúr shuntasacha ag an teas sonrach, mar sin tá ag an bhfreagra freisin.

Sampla oibrithe 2. Cuirtear bloc luaidhe 450.0 g ag 88.0 °C i 60.0 g uisce ag 20.5 °C i gcupán cúir. Is é 0.130 J/(g·°C) teas sonrach luaidhe, agus an luach a tugadh thuas teas sonrach uisce. Is ionann an teas a chailleann an luaidhe agus an teas a ghnóthaíonn an t-uisce, mar sin q_luaidhe + q_uisce = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, áit arb é gach comhéifeacht an mhais faoin teas sonrach. Á réiteach, T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. Seiceáil: ghnóthaíonn an t-uisce thart ar 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ, agus cailleann an luaidhe thart ar 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ. Bogann teocht an uisce i bhfad níos lú ná teocht na luaidhe mar go bhfuil a thoilleadh teasa níos mó ná ceithre huaire níos mó.

Calraiméadracht cupáin chaife ag brú seasta

Is cupán insliúdaithe oscailte don aer é calraiméadar cupáin chaife, mar sin tarlaíonn an próiseas ag brú seasta agus tugann an teas tomhaiste ΔH go díreach. I gcás tuaslagán uiscí caolaithe, is iad na gnáthbhoinn tuisceana go bhfuil dlús agus teas sonrach uisce ag an tuaslagán agus nach nglacann an cupán teas ach go neamhshuntasach.

Sampla oibrithe 3. Measctar 60.0 mL d'aigéad nítreach 0.800 mol/L ag 21.42 °C le 60.0 mL de hiodrocsaíd photaisiam 0.800 mol/L ag an teocht chéanna. Sroicheann an meascán 26.75 °C. Faigh ΔH in aghaidh na móile uisce a fhoirmítear. Mais an tuaslagáin: 120.0 mL × 1.00 g/mL = 120. g. ΔT = 26.75 − 21.42 = 5.33 °C. q_tuaslagán = (120. g)(4.184 J/(g·°C))(5.33 °C) = 2.68 × 10³ J. Mar sin q_imoibriú = −2.68 × 10³ J.

Móil uisce a fhoirmítear: soláthraíonn gach tuaslagán 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol, agus tá an t-imoibriú H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) 1:1, mar sin foirmítear 0.0480 mol uisce. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. Mar sheiceáil, tugann eantalpachtaí foirmithe caighdeánacha ó Aguisín G OpenStax −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol don ghlanimoibriú céanna, ag glacadh le ΔH°f H⁺(aq) mar nialas de réir coinbhinsiúin.

Calraiméadracht buama agus an bhearna idir ΔU agus ΔH

Tomhaistear dóchán i gcalraiméadar buama, árthach cruach séalaithe i mfolcadán uisce. Toisc go bhfuil an toirt seasta, ní dhéantar aon obair leathnaithe agus is é ΔU an teas tomhaiste, ní ΔH. Calabraítear an gaireas ar fad mar aonad, rud a thugann tairiseach calraiméadair C_cal i kJ/°C, mar sin q = C_cal × ΔT gan mais ná teas sonrach ar leith.

Sampla oibrithe 4. Ardaíonn dó 0.5000 g de bheinséin leachtach, C₆H₆, i gcalraiméadar le C_cal = 10.25 kJ/°C an teocht faoi 2.038 °C. Le meáchain adamhacha chaighdeánacha IUPAC cruinnithe go dhá ionad deachúlacha (C 12.01, H 1.01), M = 78.12 g/mol, mar sin n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, mar sin ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, le ceithre fhigiúr shuntasacha mar go bhfuil ceithre cinn ag gach luach tomhaiste.

Chun tiontú go heantalpacht, úsáid ΔH = ΔU + Δn_gás RT. In C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l), titeann móil gháis ó 7.5 go 6, mar sin Δn_gás = −1.5 agus is é an ceartúchán (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, comhsheasmhach leis an −3267.7 kJ/mol a fhaightear ó eantalpachtaí foirmithe Aguisín G. Fásann an ceartúchán nuair a dhéanann imoibriú go leor móil gháis nó nuair a ídíonn sé iad.

Cothromóidí teirmeaceimiceacha a léamh agus a scálú

Ceanglaíonn cothromóid teirmeaceimiceach ΔH leis an imoibriú go beacht mar a scríobhadh é. Dúblaigh na comhéifeachtaí agus dúblaíonn ΔH; aisiompaigh an t-imoibriú agus iompaíonn an comhartha. Tá tábhacht ag staideanna fisiciúla: scaoileann uisce leachtach a fhoirmiú níos mó teasa ná gaile uisce a fhoirmiú, mar go bhfuil comhdhlúthú féin eisiteirmeach.

Chun an teas do mhéid ar leith substainte a fháil, tiontaigh go móil agus úsáid an ΔH in aghaidh na móile imoibrithe mar fhachtóir tiontaithe. Scaoileann dó 12.5 g beinséine, le ΔH = −3267.7 kJ in aghaidh na móile beinséine, (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ. Scríobh é mar q = −523 kJ don imoibriú, nó mar 523 kJ teasa scaoilte.

Botúin chalraiméadrachta a iompaíonn comharthaí nó a chailleann teas

Tá uimhríocht chalraiméadrachta gearr, mar sin is earráidí coincheapúla an chuid is mó de na hearráidí.

Seiceáil dheiridh iontaofa is ea an seiceáil fhisiciúil: má ardaíonn teocht an uisce, caithfidh ΔH diúltach a bheith ag an imoibriú.

• Comhartha lúide a bheith ar iarraidh: d'ardaigh teocht na timpeallachta, mar sin tá q_imoibriú diúltach. Is earráid chomharthaí é +55.8 kJ/mol a thuairisciú do neodrú a théigh an t-uisce.
• Mais mhícheart: i gcalraiméadracht tuaslagáin, úsáid mais an tuaslagáin ar fad, ní an tuaslagtán amháin ná ceann amháin den dá thoirt mheasctha.
• In aghaidh an ghraim i gcomparáid le in aghaidh na móile: roinn ar mhóil na speicis shonraithe chun kJ/mol a fháil, agus abair cén speiceas.
• Joules agus cilijoules a mheascadh: tá q ó mcΔT i joules; tiontaigh sula roinntear é i bhfreagra kJ/mol.
• Sonraí buama a láimhseáil mar ΔH: tugann buama séalaithe ΔU; cuir an ceartúchán Δn_gás RT i bhfeidhm nuair is gá ΔH.