Chemija · Pamoka
Sistemos, aplinka, šiluma ir darbas
Prieš nustatydami šilumą ir darbą, pasirinkite sistemos ribą. Apibūdinkite, kas gali ją kirsti, ir aiškiai susitarkite, kokiais ženklais žymėsite sistemos gaunamą energiją.
Grįžti į chemijos planąBaigę pamoką, galėsite
- Atskirti atvirosios, uždarosios ir izoliuotosios sistemos aprašymus.
- Šilumą ir darbą laikyti energijos perdavimo būdais.
- Priskirti ženklus šilumai ir plėtimosi darbui pagal chemijoje taikomą ženklų susitarimą.
Pirmiausia nuspręskite, ką tiriate
Sistema yra skaičiavimui pasirinkta pasaulio dalis; jos aplinka yra visa, kas yra už pasirinktos ribos. Nagrinėdami tirpalą, kuriame vyksta reakcija, sistema galėtumėte laikyti tik reaguojančią medžiagą, o indą priskirti aplinkai. Nagrinėdami kitą klausimą, į sistemą galėtumėte įtraukti ir medžiagą, ir indą.
Nuo pasirinktos ribos priklauso energijos apskaita. Atviroji sistema gali keistis medžiaga ir energija. Uždaroji sistema nesikeičia medžiaga, bet gali keistis energija. Idealiai izoliuotoji sistema nesikeičia nei medžiaga, nei energija. Reali eksperimentinė įranga per stebėjimui tinkamą laiko intervalą gali apytikriai atitikti šiuos aprašymus.
Energijos perdavimas nėra sukaupta energija
Šiluma yra energija, perduodama dėl temperatūrų skirtumo. Darbas yra energija, perduodama per kitas kryptingas sąveikas, pavyzdžiui, judinant sistemos ribą prieš veikiančią jėgą. Kūnas turi vidinę energiją; teigiant, kad jame yra sukauptas tam tikras šilumos kiekis, būsenos savybė painiojama su energijos perdavimu.
Šiluminė izoliacija gali sumažinti šilumos perdavimą. Adiabatinėje idealizacijoje laikoma, kad proceso metu perduodamas šilumos kiekis q lygus nuliui, tačiau darbas vis tiek galimas. Gerai izoliuotos dujos gali netekti energijos stumdamos stūmoklį, todėl adiabatinė sistema nebūtinai yra izoliuota.
Kiekvienai rodyklei priskirkite ženklą sistemos atžvilgiu
Pagal čia taikomą chemijoje įprastą ženklų susitarimą, kai šiluma perduodama į sistemą, q > 0, o kai iš sistemos – q < 0. Kai darbas atliekamas su sistema, w > 0; kai sistema atlieka darbą su aplinka, w < 0. Ženklai nurodo, ar energija patenka į pasirinktą sistemą, ar iš jos išeina.
Aiškiai nurodykite sistemos ribą ir ženklų susitarimą. Paprastų energijos mainų metu perdavimas, kuris vienai pusei yra teigiamas, kitai yra neigiamas. Šie ženklai skirti energijos apskaitai, o ne vertinimui, ar procesas pageidautinas, ar nepageidautinas.
| Perdavimas | Kryptis sistemos atžvilgiu | Ženklas energijos balanse | Interpretavimo pavyzdys |
|---|---|---|---|
| Gauta šiluma | Aplinka → sistema | q > 0 | Dėl temperatūrų skirtumo sistema gauna energijos |
| Atiduota šiluma | Sistema → aplinka | q < 0 | Energija iš sistemos perduodama šilumos mainais |
| Darbas, atliktas su sistema | Aplinka → sistema | w > 0 | Suspaudžiant dujoms gali būti perduodama energija |
| Sistemos atliekamas darbas | Sistema → aplinka | w < 0 | Plečiantis energija gali būti perduodama aplinkai |
Chemijoje taikomas ženklų susitarimas. Šiame apraše sistemos riba yra fiksuota; rodyklės nurodo perdavimo kryptį, o ne sukauptą šilumą.
Plėtimosi darbas įveikiant išorinį pasipriešinimą
Kai tūris didėja įveikiant pastovų išorinį slėgį, su sistema atliekamas tūrio kitimo darbas yra w = −p_extΔV. Plečiantis ΔV > 0, todėl w < 0; suspaudžiant ΔV < 0, todėl su sistema atliekamas teigiamas darbas. Naudokite judėjimui besipriešinantį išorinį slėgį.
Negrįžtamojo plėtimosi metu dujų vidinis slėgis nebūtinai viso proceso metu sutampa su išoriniu slėgiu. Formulė, kurioje išorinis slėgis laikomas pastoviu, yra aiškiai nurodytas modelis. Jei išorinis slėgis kinta proceso eigoje, darbui apskaičiuoti reikia atitinkamo slėgio integralo tūrio atžvilgiu.
Išnagrinėti pavyzdžiai
Apskaičiuokite darbą įveikiant pastovų išorinį slėgį
Pavyzdyje nagrinėjamos dujų sistemos tūris padidėja 2.00 L, įveikiant pastovų 100.0 kPa išorinį slėgį. Raskite su sistema atliekamą tūrio kitimo darbą.
- Naudokite w = −p_extΔV.
- 1 kPa L = 1 J, todėl suderinamus vienetus galima naudoti tiesiogiai.
- w = −100.0 × 2.00 = −200 J.
- Pateikite rezultatą trimis reikšminiais skaitmenimis: −2.00 × 10² J.
w = −2.00 × 10² J. Neigiamas ženklas reiškia, kad sistema atlieka darbą aplinkos atžvilgiu.
Pabandykite patys
Ar uždaroji sistema gali keistis energija, nors nesikeičia medžiaga?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Taip.
Šiluma ir darbas gali būti perduodami per jos ribą.
Ar adiabatiniame procese darbas būtinai lygus nuliui?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Adiabatiniame procese q = 0; energija vis tiek gali būti perduodama atliekant darbą.
Kokio ženklo pagal šį susitarimą yra darbas, kurį besiplečiančios dujos atlieka aplinkos atžvilgiu?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Neigiamo.
Energija iš pasirinktos dujų sistemos perduodama į aplinką atliekant darbą.
Kuris slėgis naudojamas pateiktoje plėtimosi darbo esant pastoviam slėgiui formulėje?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Išorinis slėgis.
Tai slėgis, besipriešinantis sistemos ribos judėjimui.
Ką verta įsidėmėti
- Prieš sudarydami sistemos energijos balansą, apibrėžkite jos ribą.
- Šiluma ir darbas apibūdina energijos perdavimą, o ne sukauptus kiekius.
- Adiabatinė sistema nebūtinai yra izoliuota.
- Skaičiuodami sistemos ribos poslinkio darbą, taikykite nurodytą ženklų susitarimą ir įvertinkite išorinį pasipriešinimą.
Šaltiniai
Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.