החוק השני של התרמודינמיקה אנרגיה חופשית בתהליכים...

oהחוק השני של התרמודינמיקהoאנרגיה חופשית בתהליכיםoעבודה מקסימלית

לפי מצגת של אילנה זהר, מה"ד ירושלים

- האנטרופיה של היקום והחוק - האנטרופיה של היקום והחוק SSיקוםיקום

השני של התרמודינמיקההשני של התרמודינמיקה

St 0

כל תהליך ספונטני מלווה עליה באנטרופיה של •היקום. במצב שיווי משקל אין שינוי באנטרופיה

של היקום.עבור תגובה כימית:

St = Sמערכת+ Sסביבה

StSt כמדד כמדד סביבהS +מערכתSt = Sלהתרחשות תגובהלהתרחשות תגובה

סוג התגובההאנטרופיה

Iהמערכת IIהיקום הסביבה

אקסותרמית

אקסותרמית

אנדותרמית

עולהעולה

עולה

עולה

יורדת

יורדת

עולה תמיד

עולה אם II<I

עולה אם II>I

S0S0=לתגובה

S0- תוצריםמגיבים S H

Tסביב

ה

מערכת

שלושה מצבים שונים בהם תהיה עליה באנטרופיה של היקום :

מבחינת החוק השני של התרמודינמיקה מספיקה עליה מזערית באנטרופיה של התבל לביצוע

תגובה. לכן אפשרי שכמעט כל היתרה מעל האפס תנוצל לביצוע עבודה.

Wmax= TSt

יכולה לבצע עבודה. St < 0כל מערכת שעבורה גם מערכת אנדותרמית יכולה לבצע עבודה אם

היא מלווה עליה משמעותית באנטרופיה.

WWהעבודה שיכולה לבצע מערכת - העבודה שיכולה לבצע מערכת -

GG השינוי באנרגיה החופשית - האנרגיה - השינוי באנרגיה החופשית - האנרגיה - שניתנת לניצול כעבודה.שניתנת לניצול כעבודה.

G = -Wmax

Wmax = TSt

G = - TSt = -T(S-H/T)

G = H - TS

והחוק השני ניתן להסיק ש- והחוק השני ניתן להסיק ש-G = -TG = -TStStמהנוסחה: מהנוסחה:

G>0התגובה לא מתרחשת ספונטנית

G<oהתגובה מתרחשת ספונטנית

G = 0התגובה בשיווי משקל

GG00 האנרגיה החופשית בתנאי - האנרגיה החופשית בתנאי - תקןתקן

H0 S0.המחושבים אינם תלויים בטמפרטורה

G0. ניתן לחשב בעזרתם את 2T :לפי הנוסחה

G0T = H0 - S0

G0f האנרגיה החופשית בתגובה בה נוצרת -

תרכובת מיסודותיה היציבים בתנאי תקן.

G0 = 0עבור יסודות: f

GG00דרכים לחישוב דרכים לחישוב

G0. לפי 1f מנתונים בספר הנתונים

G0 -שיחושב בדרך זו יתאים רק לK 298 = T.

G G Gf f0 0 0

תוצרים מגיבים

עבור תהליך שריפה של G0 – חישוב 1תרגיל G0מתאן מנתוני

f .

CH4(g)+ 2O2(g) CO2(g)+2H2O(l)G0 = - 818 KJ)

. עפ”י המשוואה:. עפ”י המשוואה:22

G0T = H0 - S0

מניחים ש- .Tהחישוב מתאים לכל טמפרטורה H0 , S0 המחושבים לתנאי תקן אינם משתנים עם

השינוי בטמפרטורה.

לתגובת השריפה G0 לדוגמא - חשבו את 2תרגיל . )פתרון בשקף הבא(K 800של מתאן ב-

22פתרון תרגיל פתרון תרגיל CH4(g) + 2O2(g) CO2(g)+ 2H2O(l)

H0f k.j

S j/0k

-74.8

186.2

0

2•205 213.6

-393.5

70•2

-285.9•2

H0 = -393.50 - 285.9*2 + 74.8 = -890.5 kj

S0 = 213.6 + 70*2 - 186.2 -2*205 = -242.6 j/mol•k

G0800= -890.5 - 800*(-242.6/1000) = -696.4 kj

לתיאום שימו היחידות!

סוג התגובה°G°TS°Hאופי התגובה

ספונטנית בכל טמפרטורה

אקסותרמישליליחיובישלילי תמידת

|<|°H|ספונטנית אם TS|°

)טמפרטורות נמוכות(

|<|°H|שלילי אם TS|°

אקסותרמישלילישלילית

|>|°H|ספונטנית אם TS|°

)טמפרטורות גבוהות(

|>|°H|שלילי אם TS|°

אנדותרמיתחיוביחיובי

לא ספונטנית בכל טמפרטורה

אנדותרמיתחיובישליליחיובי תמיד

חישוב הטמפרטורה בה תתרחש התגובה באופן ספונטני

G0T = H0 - S0

H0 -0 וS אינם תלויים בטמפ. לכן ניתן לחשב בכל טמפרטורה. G0בעזרתם את

H0 - S0 > 0

H0 - S0 < 0

H0 - S0 = 0

- התגובה נוטה למגיבים

- התגובה נוטה לתוצרים

K=1 - מצב שיווי משקל מולר(. קיימת רק 1כי הריכוזים תיקניים )

G0 = 0טמפ’ שיווי משקל אחת עבורה בתנאי תקן.

מציאת תחום הטמפ' בו תתרחש תגובה נתונה באופן ספונטני:

:°S ו- °Hלפי הסימן של ללא חישוב בשני מקרים ניתן לענות על השאלה

עבור כל טמפרטורה: S° > 0 G° < 0 ו- H° < 0כאשר: •

התגובה ספונטנית בכל טמפרטורה

עבור כל טמפרטורה: S° < 0 G° > 0 ו- H° > 0כאשר: •

התגובה איננה ספונטנית בכל טמפרטורה

בשני מקרים יש לחשב את תחום הטמפרטורה בו התגובה ספונטנית:

S° > 0 ו- H° > 0כאשר: •

S° < 0 ו- H° < 0כאשר: •

תחום הטמפרטורות בו התגובה ספונטנית הוא התחום שמקיים את אי השיוויון:

H0 - S0 < 0

°°GGתאור גרפי של תאור גרפי של

G0האנרגיה החופשית T היא פונקציה של הטמפרטורה

הנוסחה:

היא נוסחה של קו ישר:

ניתן לקבל את הגדלים התרמודינמיים מתוך הגרף:

G0T = H0 - S0

Y = aX + b

שיפוע הקו:

a = - S

נק’ החיתוך עם ציר Y:

b = H

G0

בH0

G0

ג

H0

G0

H0ד

G0התגובה תתרחש באופן ספונטני באזור בו

שלילי.

4קיימות G0אפשרויות:

א

H0 T

H° < 0S° > 0

H° > 0S° > 0

H° < 0S° < 0

H° > 0S° < 0

השפעת הטמפרטורה על מידת התרחשות התגובה - הסבר גרפי

G

T

G

T

1

23

4

התגובה נוטה פחות להתרחש ככל ’. הטמפ שעולה

- תגובה שיכולה להיות 2במקרה ותתרחש’ אקסו התגובהבשיווי משקל

.משיווי משקל’ מטמפ נמוכה’ בטמפ

התגובה ’( אנדו - )תגובה1במקרה בחימום ’. טמפ לא תתרחש בשום

.תתרחש פחות

התגובה נוטה יותר להתרחש ככל ’. הטמפ שעולה

- תגובה שיכולה להיות 3במקרה ’ אנדו התגובהבשיווי משקל

’ מטמפ גבוהה’ בטמפ ותתרחש.משיווי משקל

התגובה ’( אקסו - )תגובה4במקרה בחימום ’. טמפ תתרחש בכל. תתרחש יותר

התגובה מתרחשת - G - ספונטנית

שלילי

כפונקציה של הטמפרטורה וניתוחן.Gעקומות

m

b

4Na + O2 ----> 2Na2O

Go kj/m

ol

T / oK

מה מבטא שיפוע העקומה?•

נסחו את התגובות המתאימות •

לאזורים השונים בגרף.

הסבירו את השינויים בשיפוע •

העקומה.

מה לדעתכם יהיה שיפוע העקומה •

בטמפרטורות גבוהות בהם כל

החומרים גזים? נמקו

0

I

II

III

מה יקרה כאשר אחד ממרכיבי המערכת ישנה את מצב הצבירה שלו?

תשובותתשובות- של התהליך.Sמה מבטא שיפוע העקומה? •נסחו את התגובות המתאימות לאזורים השונים בגרף. •

• )I( 4Na)s( + O2)g( 2Na2O)s(

• )II( 4Na)l( + O2)g( 2Na2O)s(

• )III( 4Na)g(+ O2)g( 2Na2O)s(

.הסבירו את השינויים בשיפוע העקומה•

יש שבירה בעקומה בשל שינוי מצב צבירה של אחד ממרכיבי התגובה. שינוי מצב

של התגובה שלילי DSהצבירה גורם לשינוי באנטרופיה של התגובה. מאחר ש

( שינויי מצב הצבירה במגיב גורמים לו להיות שלילי יותר ואז שיפוע Iבמצב )

העקומה נעשה חיובי יותר.

4מה לדעתכם יהיה שיפוע העקומה בטמפי גבוהות בהן כל החומרים Na)g(

+O2)g( 4Na+)g(+ 2O2-

)g( גזים? נמקו

• S.של התגובה יהיה חיובי )במגיבים פחות מולים( ולכן השיפוע שלילי

עקומות אלינגהם: