Thermodynamica (4p) PDF

Thermodynamica (4p) =================== houdt zich bezig met het bestuderen v/d relatie tussen energie, arbeid en warmte Deze drie grootheden hebben dezelfde eenheid: kg.m^2^/s^-2^ of joule, J Basisbegrippen -------------- ***[Systeem]***= een deel van het universum dat men bestudeert - 3 mees...

Thermodynamica (4p) =================== houdt zich bezig met het bestuderen v/d relatie tussen energie, arbeid en warmte Deze drie grootheden hebben dezelfde eenheid: kg.m^2^/s^-2^ of joule, J Basisbegrippen -------------- ***[Systeem]***= een deel van het universum dat men bestudeert - 3 meest voorkomende systemen: - Open systeem= daarin is er vrije uitwisseling van materie en energie met de omgeving mogelijk - Gesloten systeem= daarin is er geen uitwisseling van materie maar wel van energie met de omgeving mogelijk - Geïsoleerd systeem= daarin is er geen uitwisseling van materie noch van energie met de omgeving mogelijk ***[Omgeving]***= het deel van het universum dat op het systeem kan inwerken - *Voorbeeld: De reagentia en reactieproducten behoren voor een chemicus tot het te bestuderen systeem. Het oplosmiddel, de erlenmeyer, het lokaal,... behoren tot de omgeving.* ***[Energie]*** = maat voor de capaciteit v/e systeem om warmte of arbeid te leveren (symbool v/d grootheid: E) - Vssde vormen: - ***[Kinethische Energie]***= wanneer de energie gerelateerd is met beweging - ***[Thermische Energie]***= vorm van kinetische energie geassocieerd met willekeurige moleculaire beweging - Kinetische gastheorie: hoe heviger moleculen of ionen bewegen, hoe hoger de temperatuur en hoe groter de thermische energie is - E~therm~ is ook afh v/h aantal aanwezige deeltjes - Hierdoor kan een kleine hvlhd stof bij hoge temperatuur toch een kleinere E~therm~ bevatten dan een grote hvlhd stof bij lagere temperatuur - *Voorbeeld: De thermische energie v/d inhoud v/e tas koffie bij 75 °C is \< E~therm~ v/d inhoud v/e zwembad bij 30 °C* - ***[Potentiele Energie]***= wanneer de energie relateerd is met aantrekkings- en afstotingskrachten - ***[Chemische Energie]***= een vorm van E~pot~ geassocieerd met de chem bindingen en intermoleculaire krachten ***[Arbeid]***= een proces waarbij een kracht een vwp over een afstand verplaatst (symbool v/d grootheid arbeid: W) - Volume arbeid: kan optreden bij een chem proces wann het aantal gasmoleculen voor en na de reactie vssd is - Wanneer een systeem volume-arbeid levert op de omgeving, neemt het volume v/h systeem toe, maar daalt de energie-inhoud van het systeem - Het verband tussen volume-arbeid en volumeverandering bij een bepaalde druk kan men weergeven als: - W = - p. ∆V met W = volume-arbeid van het systeem uitgedrukt in joule\ p = druk uitgedrukt in pascal\ ∆V = volumeverandering uitgedrukt in kubieke meter - *Voorbeeld: In een vat afgesloten met een zuiger wordt 1 mol propaan verbrand:\ C~3~H~8(g)~ + 5 O~2(g)~ → 3 CO~2(g)~ + 4 H~2~O~(g)~\ Het aantal mol gasmoleculen neemt tijdens dit proces toe van 6 naar 7. De zuiger wordt over een afstand verplaatst; het volume van het vat neemt toe. Er wordt volume-arbeid geleverd door het systeem op de omgeving: W = - p. ∆V.* Warmte= een proces waarbij energie uitgewisseld wordt als gevolg van een temperatuurverschil (symbool = Q) Energie en enthalpie -------------------- 1^e^ wet van thermodynamica: energie kan nooit ontstaan of verloren gaan, E wordt uitgewisseld of verandert van vorm ### Energieverandering in een systeem Een open en geslote omgeving kan energie uitwisselen met zijn omgeving Formule voor het verband tss de verandering v/d inwendige E v/h systeem bij cte Temp, warmte en volume-arbeid - ∆U = Q + W - ∆U: is positief wanneer inwendige E v/h systeem toeneemt, neg waneer het inwegige E v/h systeem afneemt - Q: is pos wanneer er warmte vanuit de omgeving opgenomen w door het systeem =***[endotherm proces]*** - Hij is neg wanneer warmte v/e systeem afgegeven w a/d omgeving =***[exotherm proces]*** - Volume-arbeid (W): is pos wanneer het volume v/h systeem daalt, neg wanneer die toeneemt Warmte die uitgewissled wordt tijdens een chemische reactie: - Q = ∆U + p. ∆V - Als het in een gesloten systeem plaats vindt (volume kan niet veranderen) ∆V = 0 en Q~V~ = ∆U - Als het in een open systeem plaats vindt met cte druk (V kan veranderen) ∆V ≠ 0 en Q~p~ = ∆U + p. ∆V - = in de meeste chemische reacties - Drm geven we de reactiewarmte weer in zo'n context met ∆H, de enthalpieverandering Enthalpie 'H' is een toestandsgrootheid en = de som U + p. V, eenheid J - *Voorbeeld: Bij 298 K laat men twee mol koolstofmonoxide reageren met één mol zuurstofgas ter vorming van twee mol koolstofdioxide: 2 CO~(g)~ + O~2(g)~ → 2 CO~2(g)~.* - *Wordt de reactie uitgevoerd in een afgesloten vat dan wordt er 563,5 kJ warmte overgedragen van het systeem naar de omgeving: Q~V~ = ∆U = - 563,5 kJ.* - *Wordt de reactie uitgevoerd in een "open" vat, onder constante atmosferische druk, dan wordt er 566,0 kJ warmte overgedragen van het systeem naar de omgeving:\ Q~p~ = ∆H = - 566,0 kJ.* - *Doordat het aantal mol gas na de reactie kleiner is dan voor de reactie lever de omgeving volume-arbeid op het systeem uit; het volume wordt kleiner. Deze volume-arbeid wordt ook omgezet in warmte, waardoor de warmte bij constante druk groter is dan de warmte bij constant volume.* - *Het verschil tussen beiden kan men met behulp van de ideale gaswet berekenen.\ ∆U = ∆H -- p. ∆V en p. ∆V = ∆n. R. T\ = (2 -- 3) mol. 8,31 J mol^-1^ K^-1^. 298 K\ = - 2476,38 J ≈ - 2,5 kJ\ ∆U = - 566,0 kJ -- (-2,5 kJ) = - 563,5 kJ.* Het vss tss reactiewarmte bij cte volume ∆U e/d reactiewarmte ∆H bij cte druk is meestal klein Afhankelijk v/h beschouwde proces spreekt men over vssde soorten enthalpieveranderingen - Deze waarden worden in tabellen steeds weergegeven voor één mol stof - De [standaardtoestand] wordt weergegeven met het superscript ° - Hierbij bedraagt de druk 10^5^ Pa, de hoeveelheid stof 1 mol, de temperatuur 298,15 K of 25,00 °C en de concentratie van oplossingen 1 mol/l ### Wet van Hess ***[Wet van Hess]***= indien een reactie geschreven kan worden als de som v/e aantal deelreacties, de enthalpieverandering v/d totale reactie = de som v/d enthalpieveranderingen v/d deelreacties laat toe de enthalpieverandering de berekenen waar het experimenteel niet mogelijk is deze te meten Entropie -------- ***[Entropie]*** S is een maat voor wanorde, het is een toestandsgrootheid met eenheid J/K (joule per kelvin) - De waarde is enkel afh v/d [huidige] situatie - Is sterk afh v/d aggregatietoestand en temp - Is kleinst in vaste fase en grootst in gasfase - Hoe meer de moleculen kunnen bewegen hoe groter de entropie - Bij gas: deeltje bew overal en willekeurig i/h grootste volume mogelijk - Is ook afh van aantal stoffen: - Bij een mengsel is het groter dan bij een zuivere stif - Hoe meer stoffen er zijn hoe groter ***[2^e^ wet van thermodynamica:]*** - De entropie v/e geïsoleerd systeem kan niet afnemen, behalve voor een open en gesloten systeem - *Voorbeeld: De koelruimte van een koelkast kan afkoelen en daarmee de entropie laten afnemen, maar dan moet ergens in de omgeving de entropie minstens even sterk toenemen. Dat gebeurt doordat de koelkast aan de achterkant een rooster heeft dat veel warmte aan de omgeving afgeeft, waardoor de entropie van de omgeving meer toeneemt dan ze in de koelruimte afneemt.* Vrije Energie ------------- ***[Gibbs-vrije-energie, G]*** - G = H - T. S - G (vrije energie) is een toestandsgrootheid met eenheid J - Bepaald of een reactie al dan niet spontaan gebeurd (indien G\0 is het niet spontaan) Om te weten of een proces spontaal gaat verlopen moeten 2 inwendige drijfveren (factoren) v/e systeem in rekening gebracht worden: - Het streven naar [minimale enthalpie]: ∆H \< 0 - Het streven naar [maximale entropie]: ∆S \> 0 Dus een proces gaat spontaan verlopen als: - De enthalpie-inhoud v/h systeem afneemt + de entropieverandering toeneemt - Dus exotherme processen waarbij de wanorde toeneemt zijn steeds spontaan En een proces gaat niet spontaal verlopen als: - De enthalpie-inhoud v/h systeem toeneemt + de entropieverandering afneemt - Dus endotherme processen waarbij de wanorde afneemt zijn nooit spontaan Wanneer S en H in gunstige zin evolueren (dus perfect om een reactie spontaan te laten reageren) dan wordt ∆G \< 0 - Dus wanneer de wanorde (S) verhoogt en de temp (H) verlaagt (exotherm), dan is de reactie spontaan Wanneer S en H niet gunstig evolueren (reactie neemt temp op en wanorde verlaagd) dan wordt ∆G \> 0