A termodinamika fejlesztését mindaddig nem hajtották végre, amíg az energia, a munka és a hő fogalmát nem különböztették meg és nem tisztázták.
1- Hogyan mérik az energiát?
A Energia a rendszer munkaképességének ismerete. Bármely kémiai rendszer adott nyomáson és hőmérsékleten rendelkezik: makroszkopikusan mérhető energiamennyiséggel és összetételének köszönhetően benne tárolt energiával, amelyet ún. belső energia.
A legismertebb energiaegység a kalória (cal), és megfelel annak az energiamennyiségnek, amely szükséges 1 g víz hőmérsékletének 1 ° C-kal történő emeléséhez. Mivel ez az energiamennyiség nagyon kicsi, a kilokalória (kcal), figyelembe véve, hogy 1 kcal egyenlő 1000 cal.
A Nemzetközi Rendszer (S.I) azonban meghatározza, hogy az energiaegység az Joule (J).
1.1- Mi a belső energia?
A rendszer teljes energiája az összes kinetikus energia összege (Ec) és a potenciális energiák (Ep) alkotórészei és az úgynevezett a rendszer belső energiája (U), ami egy állapotfüggvénynek felel meg. Mivel a rendszerek nagyszámú atomból, ionból vagy molekulából állnak, nehéz megmérni a mozgásuk és kölcsönhatásaik mennyiségét és változatosságát, illetve a rendszer pontos energiáját. Ezért a belső energiában bekövetkező változások mérhetők, amelyek kísérik a fizikai és kémiai folyamatokat, meghatározva azt a rendszer belső energiájának különbségeként a folyamat végén és a kezdeti energia között
U = U (végleges) - U (kezdeti)
A belső energia egységei, valamint egyéb termodinamikai mennyiségek három részből állnak; egy szám, egy egység, amely megadja a változás nagyságát, és egy jel, amely megadja az irányt. Ily módon egyértelmű, hogy a rendszer által elveszített energiát a környezetnek kell megszereznie, és fordítva:
Kémiai reakcióban a rendszer kezdeti állapota a reagensekre, a végső állapot pedig a termékekre vonatkozik:
Ha a termékek energiatartalma kisebb, mint a reagenseké, a folyamat belső energiája negatív. Ez azt jelenti, hogy a reagensek belső energiája nagyobb, mint a terméké:
2- Mi a munka?
Általában a munkáról beszélve megértik, hogy izmainkat nagy energiát kell elhasználnunk, vagy bizonyos erőfeszítéseket kell tennünk egy feladat végrehajtására. Kémiai szempontból azonban a munka az erő mennyiségének és az erő távolságának szorzatával függ össze:
W = F • d
A munka (W) a testre gyakorolt erő (F) és a távolság (d) hogy fut.
A mértékegység a Nemzetközi Egységrendszerben a joule (J) és az 1 erővel végzett munka newton (N) az 1 távolság mentén méter.
3- Mi a különbség a hő és a hőmérséklet között?
Nyáron a hőmérséklet jóval magasabb, mint télen, ezért szokták mondani, hogy ebben az időben „melegek vagyunk”, azonban termodinamikai szempontból ez az elképzelés nem helyes.
Ez annak köszönhető, hogy a forró q) az az energia, amelyet a hőmérséklet-különbség következtében egyik rendszerből a másikba továbbítanak, amíg a termikus egyensúly, vagyis amikor mindkét rendszer azonos hőmérsékletet ér el. A hőfok, másrészt a rendszer molekuláinak kinetikus energiája. Amikor egy rendszer hőt kap, nő a molekulák mozgásának sebessége. Minél nagyobb a mozgási energia, annál magasabb a hőmérséklet, és fordítva.
4- Meg lehet-e mérni a hőáramot?
A hőáramlás mérését hívjuk kalorimetria és a hőáramot mérő készüléket hívják hőmennyiségmérő. A kaloriméter példája egy termosz vagy egy tartály, amelyet szigetelőanyag vesz körül.
Az energia mennyisége, amelyet a test elnyel, annak hőkapacitásától (C) függ, amelyet a hőmérséklet 1 fokkal történő emeléséhez szükséges hőmennyiségként határozunk meg. Ilyen módon, minél nagyobb a test hőkapacitása, annál több hőre van szükség a hőmérséklet-emelkedés előidézéséhez.
Normális esetben a hőkapacitás mólra vagy anyag grammra vonatkozik, azonban ha egy anyag grammra vonatkozik, akkor fajlagos hő s) és ha az anyag móljára vonatkoztatva van kifejezve, akkor az ún moláris hőkapacitás (C).
Az anyag fajlagos hőjét kísérletileg meghatározhatjuk a hőmérséklet változásának mérésével, amelyet az anyag ismert tömege vesz át, amikor egy meghatározott hőmennyiség nyer vagy veszít. És így:
A különböző anyagok fajlagos hőjét az alábbiakban mutatjuk be:
5.- Hogyan függ össze a hő, a munka és az energia?
Bármely rendszer energiát tud cserélni a környezetével, két általános módon, mint hő és munka. A rendszer belső energiája akkor változik, amikor a hőátadás hő vagy munka formájában történik. Így a belső energia, a hő és a munka változása közötti kapcsolatot a következő kifejezés adja, amely megfelel a A termodinamika első törvénye:
Δ U = q • w
Ebből elmondható, hogy:
- Amikor a hő átkerül a környezetből a rendszerbe, a hőnek pozitív előjele van;
- Amikor a hőt a rendszerből a környezetbe továbbítják, a hőnek negatív értéke van;
-Amikor a környezet működik a rendszeren, a munkának pozitív értéke van;
- és amikor a rendszer dolgozik a környezeten, akkor a munkának negatív értéke van.
A fentiek az alábbiak:
Ha a rendszer által elnyelt hő és a rendszeren végzett munka pozitív mennyiségű, hozzájárulnak a rendszer belső energiaváltozásának fokozásához.
Amikor egy rendszer elnyeli az energiát, vagyis a belső energia nő, ez azt jelenti, hogy a környezet működik a rendszeren, és az energia hő formájában kerül át a rendszerbe, ez a folyamat néven ismert endoterm. Másrészről, amikor a rendszer a környezeten dolgozik és hőt szállít, a folyamat energiát bocsát ki a környezetbe, exoterm folyamat, a következő séma mutatja: