Reactions and Enthalpy

00:01 Nachdem wir nun einige der grundlegenden Größen eingeführt haben zur Messung thermodynamischer Systeme, sind wir bereit, zu einigen komplizierten Dynamiken überzugehen, einschließlich chemischer Reaktionen.

00:12 Schauen wir uns zunächst ein einfaches System wie dieses an.

00:16 Wir werden fragen: "Wie viel Energie ist in diesem Becher? Wir haben bereits die Größe zur Definition von Energie eingeführt, aber jetzt werden wir eine neue Größe einführen, die Enthalpie.

00:27 Dies wird also eine etwas andere Menge sein, also lassen Sie uns ein wenig motivieren warum wir eine Einführung brauchen, nachdem wir Energie und Entropie haben, eine neue Größe namens Enthalpie.

00:36 Hier ist also der Grund. Nochmals, mit der Energie in diesem Becher können wir für uns selbst eine Bezugsenergie definieren, und dann eine gute Definition dafür haben, wie diese Bezugsenergie beginnt sich zu verändern, wenn wir unser System weiterentwickeln.

00:48 Wir haben bereits gesagt, dass wir, wenn wir eine Bezugsenergie kennen, denn wir können diese Null-Energie nennen, wie wir wollen, egal, was sie ist, wir wissen, wie sich diese Energie verändert, weil dem System entweder Wärme zugeführt oder entzogen werden kann, oder das System Arbeiten durchführen oder durchführen lassen kann.

01:04 Aus diesen Gründen haben wir eine sehr gute Definition dafür, wie sich die Energie im System verändert, und diese Menge, die wir für Energie haben, hängt sowohl von der Wärme ab.

01:13 Die Wärmeenergie, die dem System entweder zugeführt oder entnommen wird und die vom System oder an dem System geleistete Arbeit.

01:20 Ein Beispiel, um es ganz konkret zu machen, wenn wir so etwas wie dieses System hier hätten, wenn dem System Wärme zugeführt wurde die Energie geht in die interne Energie Ihres Systems über oder wenn das System Arbeit verrichtet und vielleicht auf einen Kolben drückt und bewirkt, dass es nach oben geht, wie Sie auf diesem Bild sehen können, bedeutet das, dass das System funktioniert hat und diese Arbeit gleich dem Druck des Gases ist, das sich in diesem Kolben befindet mal die Veränderung des Volumens, wenn der Kolben nach oben gehoben wird.

01:45 Wir können diesen Prozess auch umkehren.

01:47 Wenn ich also zum Beispiel beschließe, diesen Kolben nach unten zu drücken oder vielleicht, wie es in der Vergangenheit oft der Fall war, um sehr quantitative Veränderungen zu messen, das System mit kleinen Gewichten belaste, und ich genau wusste, wie schwer diese Gewichte waren, so könnte ich das System nach unten drücken - Dies würde dazu führen, dass die Arbeit am System und nicht durch das System erfolgt, und das liegt daran, dass die Veränderung des Volumens jetzt negativ ist - es geht abwärts.

02:11 Wenn wir also eine negative Veränderung des Volumens haben, ist das eine negative Arbeitsleistung.

02:15 Und so können sie in unserer Gleichung für die Energieänderung sehen, wäre die Energieänderung abzüglich der, diese negative Arbeit, die wir gerade in das System gesteckt haben.

02:25 Diese beiden Minuszeichen ergeben also ein Pluszeichen, was nur bedeutet, dass wir dem System Energie zugeführt haben, indem man darauf drückt und Arbeiten am System durchführt.

02:33 Diese Energie ist also sehr gut definiert, und der Grund dafür ist, dass es sich um eine Zustandsvariable handelt, wie wir bereits besprochen haben.

02:39 Damit ein Diagramm wie dieses, egal welchen Weg wir einschlagen, wenn wir das Volumen und den Druck ändern, so könnten wir alles Mögliche mit unserem System anstellen, die durch Pfade und unser Druck-Volumen-Diagramm dargestellt werden sollen.

02:51 Solange wir zu diesem Punkt U1 zurückgehen, wo ich die Energie des Systems an verschiedenen Punkten entlang dieses Pfades gekennzeichnet habe durch U1 oder U2 oder U3, egal, welchen Weg ich nehme, um von U1 wegzukommen und zu U1 zurückzukehren, diese ursprüngliche Energie, die wir hatten, ursprünglich U1 immer derselbe sein wird, solange wir zum gleichen Punkt in unserem Diagramm zurückkehren.

03:14 Das liegt wiederum daran, dass Energie eine Zustandsvariable für unser System ist.

03:19 Andererseits könnten wir uns die Frage stellen, und damit sind wir bei der Enthalpie.

03:24 Was wäre, wenn statt der Messung der inneren Energie, wenn ich die innere Wärmeenergie meines Systems messen möchte? Das Problem ist, dass wir Q nicht einfach verwenden können und wir können Q, die Wärmeenergie, die unserem System zugeführt oder entzogen wird, nicht aus den bereits beschriebenen Gründen nutzen.

03:39 Das Q ist keine Zustandsvariable.

03:41 Mit anderen Worten, wenn ich in einem System auftauche, mit dem Sie bereits arbeiten und ich herausfinden möchte, wie viel Energie, die Wärmeenergie die Sie dem System hinzugefügt oder entnommen haben, kann ich das nicht wissen, weil Q keine Zustandsvariable ist.

03:54 Dies veranlasst uns, eine neue Größe zu definieren, die als Enthalpie bezeichnet wird.

04:00 Diese Menge H werden wir also ein wenig diskutieren.

04:02 Es mag willkürlich erscheinen, es jetzt einfach hierhin zu werfen.

04:05 Wir werden es also aufstellen, damit wir wissen, wie es aussieht, und dann werden wir einige der netten Eigenschaften davon diskutieren, um zu begründen, warum wir diese neue Variable einführen sollten.

04:13 Eine der wichtigsten Eigenschaften dieser Enthalpie ist also zunächst einmal, dass die innere Energie plus der Druck mal das Volumen Ihres Systems ist, dass dieses H, diese Enthalpie, eine Zustandsvariable ist.

04:25 Wir wissen, dass es sich um eine Zustandsvariable handelt, weil sie einfach die Summe der anderen Zustandsvariablen ist.

04:29 Die innere Energie ist eine Zustandsgröße.

04:31 Sowohl der Druck als auch das Volumen sind Zustandsgrößen.

04:34 Allein schon durch unsere Definition der Enthalpie, es ist auch eine Zustandsvariable, was wir als nett empfunden haben denn, wenn ich irgendwann einfach auftauchen würde, kann ich die Enthalpie messen, ohne dass ich wissen muss was zuvor mit dem System gemacht wurde.

04:45 Das andere Schöne an dieser Sache ist, dass sie - oder eine Art, darüber nachzudenken - Folgendes beinhaltet, bevor wir zu einer der anderen großartigen Eigenschaften kommen und der Grund, warum wir sie so definieren, wie sie ist.

04:54 Man kann sich das so vorstellen, dass es nicht nur die innere Energie umfasst, die Ihr System im Moment hat, U, aber er enthält auch diesen zusätzlichen Begriff, der den Druck angibt, den Ihr System derzeit hat mal das Volumen, das Ihr System derzeit hat.

05:09 Eine Möglichkeit, sich diesen Term Druck mal Volumen vorzustellen, ist, dass es sich um die benötigte Energie oder die Arbeit handelt, die Sie leisten müssten, um Ihr System in dem Zustand zu erhalten, in dem es sich gerade befindet.

05:19 Weil der Druck mal das aktuelle Volumen, in dem sich Ihr System befindet, per Definition den Arbeitsaufwand festlegen würde, den Sie zu leisten hätten, um die Lautstärke Ihres Systems von nicht vorhanden zu erhöhen, wenn es vorhanden ist, vielleicht verdrängt er die Luft um ihn herum, da die Luft Druck hat.

05:35 Und so kann man sich das wieder als eine Art Energie zur Schaffung Ihres Systems vorstellen, dass sich Ihr System überhaupt in der Umgebung befindet, in der es sich befindet, wo all diese anderen Dinge, wie die Atmosphäre, versuchen, auf Ihr System einzuwirken.

05:45 Man muss also nicht unbedingt so über die Enthalpie denken, aber manchmal kann es hilfreich sein, wenn man versucht, sich den Ausdruck für die Enthalpie zu merken - dass es nicht nur zwei Arten von Energie in Ihrem System gibt die Energie, die innere Energie, die Ihr System im Moment hat, sondern auch den Druck und das Volumen Ihres Systems, so wie es besteht, den Druck oder die Energie, die nötig waren, um das System dort zu schaffen, wo es jetzt ist.

06:07 Dies ist also eine Möglichkeit, sich vorzustellen, was Enthalpie ist.

06:10 Aber noch einmal: Warum in aller Welt haben wir diese Enthalpie eingeführt? Schauen wir uns nun an, was passiert, wenn wir über Änderungen der Enthalpie sprechen.

06:17 Zunächst also auf beiden Seiten dieser Gleichung, der linken und der rechten Seite, Ich kann über die Veränderung sprechen.

06:24 Delta H, die Änderung der Enthalpie, ist also gleich delta U, die Änderung der inneren Energie plus die Druckänderung mal Volumen als Gesamtterm.

06:36 Wir können dies also leicht vereinfachen, denn wir haben bereits einen Ausdruck für die Änderung der inneren Energie, die, wie wir bereits gesagt haben, gleich der zugeführten Wärme Q minus der von Ihrem System geleisteten Arbeit W ist, und somit ist die Änderung der Enthalpie nun gleich zu diesem leicht veränderten Ausdruck, diesem neuen Ausdruck.

06:52 Wenn wir noch ein bisschen weiter gehen, wissen wir, was eine erledigte Arbeit ist.

06:56 Haben wir bereits einen Ausdruck für die geleistete Arbeit.

06:58 Die Arbeit ist der Druck mal die Volumenänderung.

07:00 Jetzt können wir diese Frage also auf Zeit umschreiben.

07:03 Die Änderung der Enthalpie ist gleich der Wärme.

07:06 Und dann noch ein paar andere Begriffe der Minusdruck mal die Volumenänderung plus die Änderung des Drucks mal dem Volumen.

07:14 Sie sehen also, worauf wir hinauswollen.

07:16 Wenn der Druck konstant ist, und das ist der Grund, warum diese Enthalpie so nützlich ist, wie bei den meisten chemischen Reaktionen in Ihrem Labor, ihre Chemikalien sind zur Atmosphäre hin offen; sie reagieren nur in Gegenwart eines gewissen atmosphärischen Normaldrucks ohne dass wir versuchen, uns zu nähern oder Druck auf unsere Systeme auszuüben.

07:32 Es ist also eine sehr häufige Situation, dass Ihr Druck konstant ist.

07:36 Weil man zum Beispiel nur dem atmosphärischen Druck ausgesetzt ist.

07:39 Und wenn das der Fall ist, dann ist die Gleichung für die Enthalpie, die niedrigste, die wir hier haben, PDV und Delta PV sind derselbe Begriff, da sich der Druck nicht ändert.

07:52 Mit anderen Worten, wenn sich der Druck nicht ändert, der rechte Term in dieser letzten Ableitung für die Änderung der Enthalpie, wird der konstante Druckterm einfach auf die andere Seite des Deltas gezogen.

08:04 Mit anderen Worten, es wäre einfach ein Druck mal eine Volumenänderung, was genau das entgegengesetzte Vorzeichen des ersten Terms ist, den wir hier haben, was einem Minusdruck mal der Volumenänderung entspricht.

08:13 In diesem Fall wiederum, wenn der Druck Ihres Drucks konstant ist, dann ist die Änderung der Enthalpie Ihres Systems einfach gleich der Wärmeenergie, die zu Ihrem System hinzugefügt oder aus ihm entfernt wurden.

08:24 Die Enthalpie hat also diese beiden schönen Eigenschaften.

08:26 Einerseits ist es eine gute Möglichkeit, die Wärmemenge in Ihrem System zu messen.

08:31 Dies ist also etwas, das wir gerne messen würden.

08:33 ohne die Wärmeänderung selbst messen zu müssen, die keine Zustandsvariable war.

08:37 Und so gibt uns die Enthalpie beides auf einmal; es ist eine Art, über die Wärmeenergie unseres Systems nachzudenken und ist gleichzeitig eine Zustandsvariable Das hängt nicht davon ab, welchen Weg oder welche Vorgeschichte unser System genommen hat.