Θερμοχημεία
Η θερμοχημεία είναι η μελέτη της ενέργειας και της θερμότητας που σχετίζονται με τις χημικές αντιδράσεις και τους φυσικούς μετασχηματισμούς (φυσικές μεταβολές). Φυσικοί μετασχηματισμοί είναι όταν μια κατάσταση της ύλης (στερεό ή υγρό, για παράδειγμα) μεταβάλλεται σε μια άλλη κατάσταση. Παραδείγματα μετασχηματισμών είναι η τήξη (όταν ένα στερεό γίνεται υγρό) και ο βρασμός (όταν ένα υγρό γίνεται αέριο).
Μια αντίδραση αποδίδει ή προσλαμβάνει ενέργεια. Ένας φυσικός μετασχηματισμός επίσης εκλύει ή προσλαμβάνει ενέργεια. Η θερμοχημεία εξετάζει αυτές τις ενεργειακές μεταβολές, ιδίως την ανταλλαγή ενέργειας ενός συστήματος με το περιβάλλον του. Η θερμοχημεία είναι χρήσιμη για την πρόβλεψη των ποσοτήτων αντιδρώντων και προϊόντων ανά πάσα στιγμή κατά τη διάρκεια μιας δεδομένης αντίδρασης. Οι θερμοχημικοί το κάνουν αυτό χρησιμοποιώντας δεδομένα, συμπεριλαμβανομένων των προσδιορισμών της εντροπίας. Οι θερμοχημικοί θα πουν αν μια αντίδραση είναι αυθόρμητη ή μη αυθόρμητη, ευνοϊκή ή δυσμενής.
Οι ενδόθερμες αντιδράσεις απορροφούν θερμότητα. Οι εξώθερμες αντιδράσεις εκλύουν θερμότητα. Η θερμοχημεία συνδυάζει τις έννοιες της θερμοδυναμικής με την ιδέα της ενέργειας με τη μορφή χημικών δεσμών. Περιλαμβάνει υπολογισμούς μεγεθών όπως η θερμοχωρητικότητα, η θερμότητα καύσης, η θερμότητα σχηματισμού, η ενθαλπία, η εντροπία, η ελεύθερη ενέργεια και οι θερμίδες.
Το πρώτο παγωμένο θερμιδόμετρο στον κόσμο, που χρησιμοποιήθηκε το χειμώνα του 1782-83 από τους Antoine Lavoisier και Pierre-Simon Laplace. Χρησιμοποιήθηκε για την εύρεση της θερμότητας που αναπτύσσεται σε διάφορες χημικές μεταβολές. Οι υπολογισμοί αυτοί βασίστηκαν στην προηγούμενη ανακάλυψη της λανθάνουσας θερμότητας από τον Joseph Black. Τα πειράματα αυτά αποτέλεσαν την απαρχή της θερμοχημείας.
Ιστορία
Η θερμοχημεία ξεκίνησε με δύο ιδέες:
- Lavoisier και ο νόμος του Laplace (1780): Η μεταβολή της ενέργειας για κάθε μετασχηματισμό είναι ίση και αντίθετη με τη μεταβολή της ενέργειας για την αντίστροφη διαδικασία.
- Ο νόμος του Hess (1840): Η μεταβολή της ενέργειας για κάθε μετασχηματισμό είναι η ίδια είτε αυτός γίνεται με ένα βήμα είτε με πολλά.
Οι ανακαλύψεις αυτές έγιναν πριν από τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο (1845). Βοήθησαν τους επιστήμονες να κατανοήσουν αυτόν τον νόμο.
Οι Edward Diaz και Hess διερεύνησαν την ειδική θερμότητα και τη λανθάνουσα θερμότητα. Ο Joseph Black ανέπτυξε την έννοια της λανθάνουσας ενεργειακής μεταβολής.
Ο Gustav Kirchhoff έδειξε το 1858 ότι η μεταβολή της θερμότητας της αντίδρασης δίνεται από τη διαφορά της θερμοχωρητικότητας μεταξύ προϊόντων και αντιδρώντων: ∂ Δ H ∂ T = Δ C p {\displaystyle {{\partial \Delta H} \over \partial T}=\Delta C_{p}} 
. Η ολοκλήρωση αυτής της εξίσωσης επιτρέπει την εκτίμηση της θερμότητας της αντίδρασης σε μια θερμοκρασία από μετρήσεις σε μια άλλη θερμοκρασία.
Calorimetry
Η μέτρηση των θερμικών μεταβολών ονομάζεται θερμιδομετρία. Μετρά τη θερμότητα των χημικών αντιδράσεων ή των φυσικών μεταβολών. Ένα θερμιδόμετρο, μια συσκευή για τη θερμιδομέτρηση, είναι συνήθως ένας κλειστός θάλαμος.
Η θερμιδομέτρηση έχει τα εξής βήματα: Χημικοί κάνουν την αλλαγή να συμβεί μέσα στο θάλαμο. Η θερμοκρασία του θαλάμου μετράται είτε με τη χρήση θερμομέτρου είτε με τη χρήση θερμοζεύγους. Η θερμοκρασία απεικονίζεται σε συνάρτηση με το χρόνο, ώστε να προκύψει ένα γράφημα. Οι χημικοί χρησιμοποιούν τη γραφική παράσταση για να υπολογίσουν θεμελιώδεις ποσότητες.
Τα σύγχρονα θερμιδομετρητές διαθέτουν μικρούς υπολογιστές που μετρούν τη θερμοκρασία και δίνουν γρήγορα τα υπολογισμένα δεδομένα. Ένα παράδειγμα είναι το θερμιδόμετρο διαφορικής σάρωσης (DSC).
Συστήματα
Διάφοροι θερμοδυναμικοί ορισμοί είναι πολύ χρήσιμοι στη θερμοχημεία. Ένα "σύστημα" είναι το συγκεκριμένο τμήμα του σύμπαντος που μελετάται. Όλα όσα βρίσκονται έξω από το σύστημα θεωρούνται περιβάλλον ή περιβάλλον. Ένα σύστημα μπορεί να είναι:
- ένα απομονωμένο σύστημα - όταν δεν μπορεί να ανταλλάξει ενέργεια ή ύλη με το περιβάλλον, όπως συμβαίνει με ένα μονωμένο θερμιδόμετρο βόμβας,
- ένα κλειστό σύστημα - όταν μπορεί να ανταλλάσσει ενέργεια αλλά όχι ύλη με το περιβάλλον, όπως με ένα θερμαντικό σώμα ατμού,
- ένα ανοικτό σύστημα - όταν μπορεί να ανταλλάσσει τόσο ύλη όσο και ενέργεια με το περιβάλλον, όπως για παράδειγμα μια κατσαρόλα με νερό που βράζει.
Διαδικασίες
Ένα σύστημα υφίσταται μια "διεργασία" όταν μία ή περισσότερες από τις ιδιότητές του (χαρακτηριστικά) αλλάζουν. Μια διεργασία σχετίζεται (συνδέεται) με την αλλαγή της κατάστασης. Μια ισόθερμη (ίδιας θερμοκρασίας) διεργασία συμβαίνει όταν η θερμοκρασία του συστήματος παραμένει η ίδια. Μια ισοβαρική (ίδια πίεση) διεργασία συμβαίνει όταν η πίεση του συστήματος παραμένει η ίδια. Μια αδιαβατική (χωρίς ανταλλαγή θερμότητας) διεργασία συμβαίνει όταν δεν μετακινείται θερμότητα.
Σχετικές σελίδες
- Σημαντικές δημοσιεύσεις στη θερμοχημεία
- Ισοδεσμική αντίδραση
- Αρχή της μέγιστης εργασίας
- Θερμιδόμετρο αντίδρασης
- Αρχή Thomsen-Berthelot
- Julius Thomsen
- Θερμοδυναμικές βάσεις δεδομένων για καθαρές ουσίες
- Θερμιδομετρία
- Θερμική φυσική
Ερωτήσεις και απαντήσεις
Q: Τι είναι η θερμοχημεία;
A: Η θερμοχημεία είναι η μελέτη της ενέργειας και της θερμότητας που σχετίζονται με τις χημικές αντιδράσεις και τους φυσικούς μετασχηματισμούς.
Ερ: Ποια είναι μερικά παραδείγματα φυσικών μετασχηματισμών;
A: Παραδείγματα φυσικών μετασχηματισμών είναι η τήξη (όταν ένα στερεό γίνεται υγρό) και ο βρασμός (όταν ένα υγρό γίνεται υγρό).
Ερ: Πώς βοηθά η θερμοχημεία στην πρόβλεψη των ποσοτήτων αντιδρώντων και προϊόντων;
Α: Οι θερμοχημικοί χρησιμοποιούν δεδομένα, συμπεριλαμβανομένων των προσδιορισμών της εντροπίας, για να προβλέψουν τις ποσότητες αντιδρώντων και προϊόντων ανά πάσα στιγμή κατά τη διάρκεια μιας δεδομένης αντίδρασης.
Ερ: Οι ενδόθερμες αντιδράσεις είναι ευνοϊκές ή δυσμενείς;
Α: Οι ενδόθερμες αντιδράσεις είναι δυσμενείς.
Ερ: Οι εξώθερμες αντιδράσεις είναι ευνοϊκές ή δυσμενείς;
Α: Οι εξώθερμες αντιδράσεις είναι ευνοϊκές.
Ερ: Ποιες έννοιες συνδυάζει η θερμοχημεία;
Α: Η θερμοχημεία συνδυάζει τις έννοιες της θερμοδυναμικής με την ιδέα της ενέργειας με τη μορφή χημικών δεσμών.
Ερ: Τι είδους υπολογισμούς κάνουν οι θερμοχημικοί;
Α: Οι θερμοχημικοί κάνουν υπολογισμούς όπως η θερμοχωρητικότητα, η θερμότητα καύσης, η θερμότητα σχηματισμού, η ενθαλπία, η εντροπία, η ελεύθερη ενέργεια και οι θερμίδες.
