انرژی درونی و قانون اول ترمودینامیک

 چکیده: در ادامه بررسی تغییرات انرژی درونی در سامانه بررسی می کنیم که انرژی درونی تابع چیست؟ آیا مسیر انجام واکنش در تغییرات انرژی درونی موثر است؟ هم چنین با اصل پایستگی انرژی که قانون اول ترمودینامیک می باشد، آشنا خواهیم شد و انجام واکنش های شیمیایی را در حجم ثابت و فشار ثابت بررسی خواهیم کرد.

شرح درس:

تابع حالت: 

 سامانه ای را در نظر بگیرید که در حالت اولیه ( حالت x) دارای انرژی درونی برابر با E_x و در حالت نهایی ( حالت y)، انرژی درونی آن برابر با E_y باشد. برای رسیدن از حالت x به حالت y دو مسیر را فرض می کنیم. مسیر شماره یک بدون مبادله گرما و فقط با مبادله کار همراه است اما در مسیر شماره دو هم مبادله گرما و هم مبادله کار وجود دارد. طبیعی است که مقدار گرما و کار در این دو مسیر با هم تفاوت دارند. همین امر سبب می شود که بگوییم گرما و کار تابع مسیر هستند و به مسیر طی شده بستگی دارند. اما تغییر انرژی درونی سامانه (∆E) تابع حالت است زیرا مقدار ∆E=E_y - E_x  صرفه نظر از این که مسیر شماره یک و یا مسیر شماره دو طی شده باشد یکسان است. در واقع ∆E تابع حالت اولیه و نهایی سامانه است و به هیچ یک از مسیرها بستگی ندارد.

        • تابع حالت خاصیتی از سامانه است که تنها به حالت فعلی سامانه وابسته می باشد.

نکته: علاوه بر انرژی درونی، دما، فشار، حجم، ظرفیت گرمایی، آنتالپی، آنتروپی و انرژی آزاد گیبس نیز دیگر تابع های حالت برای یک سامانه ترمودینامیکی می باشند.

قانون اول ترمودینامیک:
همان طور که در درس قبل اشاره شد، تغییر انرژی درونی یک سامانه می تواند با انتقال گرما و یا با انجام کار صورت گیرد. اگر تغییر انرژی درونی را با ∆E ، گرمای مبادله شده را با q و کار انجام شده را با w نشان دهیم، در این صورت خواهیم داشت:

∆E=q+w

 

این رابطه قانون اول ترمودینامیک را معرفی می کند که همان اصل پایستگی انرژی است. طبق این اصل انرژی نه به وجود می آید و نه از بین می رود بلکه از شکلی به شکل دیگر در می آید. از رابطه بالا می توان نتیجه گرفت که گرمای واکنش (q) برابر است با:

q=∆E-w

حال اگر واکنش در یک ظرف سربسته با حجم ثابت انجام شود و یا این که تعداد مول های گازی دو طرف واکنش با یکدیگر برابر باشند، کار ناشی از تغییر حجم انجام نمی شود و w برابر صفر است. پس می توان نوشت:

q_v=∆E

گرمای واکنش در حجم ثابت (q_v)، برابر با تغییر انرژی درونی (∆E) است.

در یک حالت دیگر، واکنش در ظرفی سر باز یا هر ظرف دیگری انجام می شود که با تغییر حجم فشار را ثابت نگه می دارد. در این حالت، تغییر انرژی درونی با انجام کار و مبادله گرما همراه است. اگر گرمای منتقل شده در فشار ثابت را با q_p نشان دهیم، خواهیم داشت:

q_p=∆E-w

از آنجا که عبارت ∆E-w در علم ترمودینامیک اهمیت زیادی دارد، برای کل این عبارت یک نام انتخاب شده و دانشمندان آن را آنتالپی واکنش (H∆) نامیدند.

∆H=∆E-w           q_p=∆H

 گرمای واکنش در فشار ثابت (q_p)، برابر تغییر آنتالپی واکنش (∆H) است.

نکته: از آنجا که بیش تر فرایندهای فیزیکی و شیمیایی در فشار ثابت صورت می گیرند، گرمای واکنش را اغلب در فشار ثابت اندازه می گیرند. به همین دلیل گرمای واکنش را معمولا با ∆H نشان می دهند.

---

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه و تنظیم: مهسا شاه حسینی