Varmafræði Sjálfgengar efnabreytingar

1. Efnafræði í 5. bekk VarmafræðiSjálfgengar efnabreytingar David P. WhiteÞýðing: Skarphéðinn P. Óskarsson Sjálfgengar efnabreytingar

2. Sjálfgengar efnabreytingar • Varmafræðin fjallar um það hvort efnabreyting geti gengið sjálfkrafa ? • Fyrsta lögmál varmafræðinnar segir að orka varðveitist við efnabreytingar • Ferill sem gengur án utanaðkomandi íhlutunar er sjálfgengur • Þegar egg er látið detta á gólf brotna þá sjálfkrafa • Gagnstæði ferillinn er ekki sjálfgengur • Sjálfgengur ferill hefur ákveðna stefnu Sjálfgengar efnabreytingar

3. Sjálfgengar efnabreytingar • Ferill sem er sjálfgengur í eina átt er ekki sjálfgengur í gagnstæða átt. • Stefna ferils sem er sjálfgengur getur verið háð hita : • Ís sem verður að vatni er sjálfgengur ferill við T > 0C, Vatn sem verður að ís er sjálfgengur ferill við T < 0C. • Umhverfir ferlar • Umhverfur ferill er sá sem getur gengið fram og til baka eftir sömu leið Sjálfgengar efnabreytingar

4. Sjálfgengar efnabreytingar Sjálfgengar efnabreytingar

5. Sjálfgengar efnabreytingar • Ferlar sem eru umhverfir eða ekki • Þegar 1 mól af vatni frýs við 1 atm og 0C og myndar 1 mól af ís er q = Hbræðsluvarmi • Gagnstæði ferillinn krefst jafnmikillar orku þ.e. þegar 1 mól af ís við 0C og 1 atm myndar 1 mól af vatni við 0C og 1 atm • Þar af leiðandi er það umhverfur ferill, þegar 1 mól af ís breytist í 1 mól af vatni við 0C og öfugt . • Að láta 1 mól af ís bráðna er ekki umhverfur ferill. Til þess að koma gagnstæða ferlinum á, verður að lækka hitann að 0C Sjálfgengar efnabreytingar

6. Sjálfgengar efnabreytingar Ferlar sem eru umhverfir eða ekki Sjálfgengar efnabreytingar

7. Sjálfgengir ferlar • Ferlar sem eru umhverfir eða ekki • Kerfi sem er við jafnvægi er umhverft • Leiðin milli hvarf- og myndefna í sjálfgengum ferli er ekki umhverf • Varmafræðin segir til um stefnu ferils en getur ekki sagt okkur til um hve hratt hann gengur. • Hvers vegna eru sum innvermin efnahvörf sjálfgeng ? Sjálfgengar efnabreytingar

8. Óreiða og annað lögmál varmafræðinnar • Þensla gass er sjálfgengur ferill • Í upphafi er tvær flöskur tengdar saman með krana Önnur flaskan er lofttæmd en hin hefur að geyma lofttegund við 1 atm þrýsting • Í lokin þegar kraninn er opnaður hafa sameindir gassins dreifst um flöskurnar tvær og þrýstingur fallið í 0,5 atm • Þensla gassins fer fram við stöðugan hita. Þess vegna skilar þensla engri vinnu og varmi flyst ekki frá kerfinu til umhverfis eða öfugt. Sjálfgengar efnabreytingar

9. Óreiða og annað lögmál varmafræðinnar Lofttæmt 1 atm Þensla gass Sjálfgengurt ferill Hvers vegna þenst gasið út ? Ekki sjálfgengur Sjálfgengur

10. Óreiða og annað lögmál varmafræðinnar • Þensla gass er sjálfgengur ferill • Ímyndum okkur að í annari flöskunni sé aðeins tvær gassameindir • Áður en kraninn er opnaður eru báðar gassameindirnar í annarri flöskunni • Þegar kraninn er opnaður þá eru meiri líkur á að ein gassameind verði í hvorri flösku en að báðar lendi í annarri Sjálfgengar efnabreytingar

11. Óreiða og annað lögmál varmafræðinnar • Þensla gass er sjálfgengur ferill • Ef sameindirnar eru margar eru miklu meiri líkur á að sameindirnar dreifi sér um báðar flöskur en að þær safnist fyrir í annarri. Sjálfgengar efnabreytingar

12. Óreiða og annað lögmál varmafræðinnar • Óreiða • Óreiða, S, er mælikvarði á skipulagsleysi kerfis. • Sjálfgengir ferlar stefna í átt til orkulægra ástands og/eða meiri óreiðu. • Vatnssameindir íss hafa fast skipulag vegna sterkra vetnistengja • Þess vegna er óreiða íss lítil. Sjálfgengar efnabreytingar

13. Óreiða og annað lögmál varmafræðinnar • Óreiða • Þegar ís bráðnar rofna millisameindakraftar (orkufrekur ferill ) og skipulagið raskast (óreiða vex). • Sameindir vatnsins hafa ekki sama skipulag og sameindir íss svo ís bráðnar sjálfkrafa við stofuhita. Sjálfgengar efnabreytingar

15. Óreiða og annað lögmál varmafræðinnar • Óreiða • Það ríkir ákveðið jafnvægi milli orku og óreiðu. • Þegar jónískt fast efni er látið í vatn þá gerist einkum tvennt: • Vatnssameindir safnast utan um jónir saltsins ( óreiða vatnssameinda minnkar ) , og • Jónirnar í kristalbyggingu fasta efnisins verða vatnaðar en búa yfir meiri óreiðu en þegar þær eru fast bundnar í kristalnum (óreiða jónanna vex). Sjálfgengar efnabreytingar

16. Óreiða

17. Óreiða og annað lögmál varmafræðinnar • Óreiða • Almennt: þegar aukning verður á óreiðu eins ferils er tengd minkunn á óreiðu í öðrum ferli, þá verður óreiðuaukningin ríkjandi. • Fyrir ákveðið kerfi, S = Slok - Supphaf • Ef S > 0 þá eykst óreiðan, ef S < 0 minnkar óreiðan. Sjálfgengar efnabreytingar

18. Óreiða og annað lögmál varmafræðinnar • Óreiða • Ef gert er ráð fyrir að kerfi sé umhverfti milli ástands 1 og 2 þá er óreiðubreytingin táknuð með þessum hætti: • Við ákveðið T þar sem q er orkan sem fólgin er í ferlinu (dæmi: fasabreyting sem verður við fastan hita. Sjálfgengar efnabreytingar

19. Óreiða og annað lögmál varmafræðinnar • Annað lögmál varmafræðinnar • Annað lögmál varmafræðinnar skýrir hvers vegna sjálfgengir ferlar hafa ákveðna stefnu. • Í sjálfgengum ferli þá vex heildaróreiðan • Sheild = Skerfi + Sumhverfi : heildaróreiðubreytingin er summa af óreiðubreytingu kerfisins og umhverfisins • Óreiðan varðveitist ekki : Sheild vex. Sjálfgengar efnabreytingar

20. Óreiða og annað lögmál varmafræðinnar • Annað lögmál varmafræðinnar • Fyrir umhverfan feril gildir: Sheild = 0. • Fyrir sjálfgengan feril (þ.e. ekki umhverfur): Sheild > 0. • Athugið: annað lögmálið segir að heildaróreiðan verði að aukast ef ferill eigi að vera sjálfgengur. Óreiða kerfisins getur minnkað ef óreiða umhverfisins vex. • Í lokuðu kerfi, Skerfi = 0 fyrir umhverfan feril og • Skerfi > 0 fyrir sjálfgengan feril. Sjálfgengar efnabreytingar

21. Óreiða á grundvelli sameinda • Óreiða gass er meiri en óreiða vökva sem aftur hefur meiri óreiðu en fast efni. • Ferill sem eykur fjölda gassameinda veldur óreiðuaukningu • Þegar NO(g) hvarfast við O2(g) og myndar NO2(g), minnkar heildarfjöldi gassameinda og óreiðan minnkar.. Sjálfgengar efnabreytingar

23. Óreiða á grundvelli sameinda • Hreyfingar atóma eru einkum með þrennum hætti: • Flutningur (hreyfing sameindar frá einum stað til annars) • Titringur (Stytting og lenging tengja ásamt breytingum á tengjahorni) • Snúningur (Snúningur sameindar um ákveðinn ás ) Sjálfgengar efnabreytingar

24. Óreiða á grundvelli sameinda • Orku er þörf svo sameind geti flust úr stað, titrað eð snúist. • Þeim mun meiri orka sem geymd (dreifð) er í sameind við flutningi, titringi eða snúningi hennar þeim mun meiri er óreiða hennar. • Í hinum fullkomnu kristalbyggingu við 0 K verður enginn flutningur, titringur né snúningur. Þá er óreiðan núll Sjálfgengar efnabreytingar

25. Óreiða á grundvelli sameinda Sjálfgengar efnabreytingar

26. Óreiða á grundvelli sameinda • Þriðja lögmál varmafræðinnar segir: óreiða hins fullkomna kristalls við 0 K er núll • Óreiðan breytist mjög við fasabreytingar • Ef við hitum efni frá alkuli hlýtur óreiðan að aukast. Sjálfgengar efnabreytingar

28. Óreiða á grundvelli sameinda • Mun meiri óreiðuaukning fylgir gufun en bráðnun. • Óreiða vex þegar • Þegar vökvar eða lausnir eru myndaðar úr föstum efnum. • Gas er myndað úr föstum efnum eða vökvum. • Fjöldi gassameinda vex • Hiti er hækkaður. Sjálfgengar efnabreytingar

29. Óreiða á grundvelli sameinda • Staðalóreiða ,S, er skilgreind með svipuðum hætti og H • Eining: J/mól-K. Athugið einingu H: kJ/mól. • Staðalóreiða frumefna er ekki núll. • Efnahvarf sem myndar n mól af myndefnum úr m mólum úr hvarfefnum þá gildir: Sjálfgengar efnabreytingar

31. Gibbs fríorka • Fyrir sjálfgengt hvarf verður heildaróreiðan að aukast. • Efnahvörf með stórt neikvætt gildi á H eru sjálfgeng • Hvernig getum við notað S og H til þess að spá fyrir um það hvort efnahvarf er sjálfgengt eða ekki ? • Gibbs fríorka: • Ferill sem fer fram við stöðugan hita: Sjálfgengar efnabreytingar

32. Gibbs fríorka • Athugið vel eftirfarandi skilyrði: • Ef G < 0 þá er hvarfið til hægri sjálfgengt. • Ef G = 0 þá er hvarfið við jafnvægi • Ef G > 0 þá er hvarfið til hægri ekki sjálfgengt. Ef G > 0, er orku krafist frá umhverfinu til þess að knýja hvarfið til hægri. • Við efnahvarf þá minnkar fríorka og nær lágmarki við jafnvægi en hækkar aftur að fríorku myndefna. Sjálfgengar efnabreytingar

33. Gibbs fríorka Sjálfgengar efnabreytingar

34. Gibbs fríorka • Athugið myndun ammoníaks úr nitri og vetni: • Í upphafi myndast ammoníak sjálfkrafa (Q < Keq). • Eftir nokkurn tíma mun ammoníak sundrast í N2 og H2 (Q > Keq). • Við jafnvægi, ∆G = 0 og Q = Keq. Sjálfgengar efnabreytingar

36. Gibbs fríorka • Staðalfríorkubreyting, G • Staðalaðstæður: hreint efni, 1 atm (gas), 1 M styrkur (lausn), og G = 0 fyrir frumefni. • G : • Stærð G fyrir ákveðið efnahvarf segir okkur hvort efni sem blandað er saman muni hvarfast sjálfkrafa og mynda meira af hvarfefnum (G > 0) eða myndefnum • (G < 0) Sjálfgengar efnabreytingar

37. Fríorka og hiti • Athugið G = H - TS: • Ef H < 0 og S > 0, þá er G alltaf neikvætt. • Ef H > 0 og S < 0, þá er G alltaf jákvætt. • Ef H < 0 og S < 0, þá er G neikvætt við lágan hita • Ef H > 0 og S > 0, þá er G neikvætt við háan hita. • Þó svo efnahvarf hafi neikvætt G getur það gengið það hægt að efnabreytingar verða vart mælanlegar Sjálfgengar efnabreytingar

38. Fríorka og hiti Sjálfgengar efnabreytingar

39. Fríorka og jafnvægisfastinn K og hvarfkvótinn Q • Vensl G, K og Q má lýsa með eftirfarandi jöfnu Sjálfgengar efnabreytingar

40. Fríorka og jafnvægisfastinn K og hvarfkvótinn Q • Við jafnvægi er Q = K og G = 0, svo • Ef G < 0, þá K > 1. • Ef G = 0, þá K = 1. • Ef G > 0, þá K < 1. Sjálfgengar efnabreytingar