Розвиток термодинаміки не здійснювався до тих пір, поки не були диференційовані та уточнені поняття енергії, праці та тепла.
1- Як вимірюється енергія?
Енергія це відомо як здатність системи виробляти роботу. Будь-яка хімічна система при даному тиску і температурі має: кількість енергії, яку можна виміряти макроскопічно, і кількість енергії, що зберігається всередині неї завдяки своєму складу, що називається внутрішня енергія.
Найвідомішою одиницею енергії є калорійність (кал) і відповідає кількості енергії, необхідної для підвищення температури 1 г води на 1 ° C. Оскільки ця кількість енергії дуже мала, то кілокалорія (ккал), враховуючи, що 1 ккал дорівнює 1000 кал.
Однак Міжнародна система (S.I) визначає, що одиницею енергії є Джоуль (J).
1.1- Що таке внутрішня енергія?
Повна енергія системи - це сума всіх кінетичних енергій (Ек) та потенційні енергії (Ep) складових частин і відомий як внутрішня енергія системи (U), що відповідає функції стану. Оскільки системи складаються з великої кількості атомів, іонів чи молекул, важко виміряти кількість та різноманітність рухів та взаємодій, які вони мають, або точну енергію системи. Отже, можна виміряти зміни внутрішньої енергії, які супроводжують фізичні та хімічні процеси, визначаючи їх як різницю між внутрішньою енергією системи в кінці процесу та тією, яку вона мала на початку:
U = U (кінцевий) - U (початковий)
Одиниці внутрішньої енергії, як і інші термодинамічні величини, складаються з трьох частин; число, одиниця, яка дає величину зміни, і знак, який дає напрямок. Таким чином, стає зрозуміло, що енергію, яку втрачає система, повинно отримувати навколишнє середовище і навпаки:
У хімічній реакції початковий стан системи відноситься до реагентів, а кінцевий стан до продуктів:
Коли енергетичний вміст продуктів менше енергії реагентів, внутрішня енергія процесу є негативною. Це означає, що внутрішня енергія реагентів більша, ніж енергія продукту:
2- Що таке робота?
Зазвичай, говорячи про роботу, розуміють, що ми повинні використовувати свої м’язи, витрачаючи велику кількість енергії, або докладати певних зусиль для виконання завдання. Однак у хімічному плані робота пов'язана з величиною сили, відрахованою на відстань цієї сили:
Ш = Ж • д
Робота (W) обчислюється множенням сили (F), що діє на тіло, на відстань (d), що він працює.
Одиницею виміру в Міжнародній системі одиниць є джоуль (J) і визначається як робота, виконана із силою 1 Ньютон (N) на відстані 1 метр.
3- Яка різниця між теплом і температурою?
Влітку температура набагато вища, ніж взимку, саме тому часто кажуть, що в цей час «нам жарко», однак з термодинамічної точки зору ця ідея не є правильною.
Це пов'язано з тим, що гарячий (q) - енергія, яка передається від однієї системи до іншої як наслідок різниці температур, доки теплова рівновага, тобто коли обидві системи досягають однакової температури. температури, з іншого боку, це міра кінетичної енергії молекул системи. Коли система отримує тепло, швидкість руху цих молекул зростає. Чим вища кінетична енергія, тим вища температура і навпаки.
4- Чи можна виміряти тепловий потік?
Викликається вимірювання теплового потоку калориметрія і називається апарат, що вимірює тепловий потік калориметр. Прикладом калориметра є термос або ємність, оточена ізоляційним матеріалом.
Кількість енергії, яку поглинає тіло, залежить від його теплоємності (С), що визначається як кількість тепла, необхідного для підвищення температури на 1 градус. Таким чином, чим більша теплоємність тіла, тим більше тепла потрібно для підвищення температури.
Зазвичай теплоємність виражається на моль або на грам речовини, однак, коли вона виражається на грам речовини, це називається питоме тепло і якщо це виражається на моль речовини, це називається молярна теплоємність (C).
Питому теплоту речовини можна визначити експериментально, вимірюючи зміну температури, яку зазнає відома маса речовини, коли певна кількість тепла набирає або втрачає. Отже:
Питома теплоємність різних речовин показана нижче:
5. - Як пов’язані тепло, робота та енергія?
Будь-яка система може обмінюватися енергією з оточенням двома загальними способами, як тепло, так і робота. Внутрішня енергія системи змінюється, коли теплообмін відбувається у вигляді тепла або роботи. Таким чином, зв’язок між зміною внутрішньої енергії, тепла та роботою задається наступним виразом, який відповідає Перший закон термодинаміки:
Δ U = q • w
З цього можна сказати, що:
- Коли тепло передається з навколишнього середовища в систему, тепло має позитивний знак;
- Коли тепло передається від системи до оточення, тепло має негативне значення;
-Коли середовище працює над системою, робота має позитивне значення;
- а коли система працює на навколишнє середовище, робота має негативне значення.
Вищезазначене представлено нижче:
Коли тепло, поглинене системою, і робота, виконана в системі, є позитивними величинами, вони сприяють збільшенню внутрішньої зміни енергії системи.
Коли система поглинає енергію, тобто внутрішня енергія збільшується, це означає, що навколишнє середовище працює над системою, і енергія передається системі у вигляді тепла, процес, відомий як ендотермічний. З іншого боку, коли система здійснює роботу з навколишнім середовищем і забезпечує тепло, процес буде виділяти енергію в навколишнє середовище, стаючи екзотермічний процес, як показано на наступній схемі: