Termodynamik

Question 1

Ämnen kan förekomma i fast (s), flytande (l) eller gas (g) fas, hur definieras de olika faserna?

Answer 1

▪ En gas fyller upp hela volymen hos en behållare (eller annan inneslutning).
▪ En vätska anpassar sig efter behållarens form men upptar endast en del av dess volym
▪ Ett ämne i fast fas anpassar sig inte efter behållarens form

Question 2

Varför har gaser låg densitet?

Answer 2

Avståndet mellan molekyler/atomer i en gas är stort och det finns ingen (eller mycket svag) växelverkan mellan gasmolekylerna/atomerna.

Question 3

Under vilka förhållanden kan volymen hos en gas ändras?

Answer 3

Volymen hos en gas förändras vid ändrat yttre tryck och vid ändrad temperatur. Eller om större utrymme presenteras.

Question 4

Hur definieras tryck? Ange formel och enheter.

Answer 4

Om kraften med vilken gasens molekyler trycker på väggarna på en behållare är F så är trycket: P=F/A där P=tryck (Nm2-) F=kraft (Newton) och A=area är arean på behållarens väggar.

Question 5

Vad är den molekylära synen på tryck?

Answer 5

Hur ofta och med hur mycket kinetisk energi atomer/molekyler träffar en yta.

Question 6

Vad säger Charles lag?

Answer 6

Att volymen av en gas är proportionell mot temperaturen: En förhöjd temperatur gör att gasmolekylernas medelhastighet ökar (deras rörelseenergi ökar) och att antalet kollisioner ökar.

Question 7

Vad säger Boyles lag?

Answer 7

Att tryck och volym har ett samband V=1/P, om trycket från omgivningen ökar minskar volymen.

Question 8

Vad säger Avogadros lag?

Answer 8

Enligt Avogadros lag är volymen proportionell mot substansmängden. Vid fast temperatur och tryck, innehåller lika volym av vilken idealgas som helst, lika många (eller mol) partiklar.

Question 9

Resonemangen för Charles lag, Boyles lag och Avogadros lag används i ett viktigt samband/lag inom termodynamik och gaslära. Vad heter lagen och hur ser ekvationen ut?

Answer 9

Den allmänna/ideala gaslagen: Tryck (P) och volym (V) varierar linjärt med temperatur (T). De varierar även linjärt med substansmängd gas (n). Alltså gäller PV = konstant x nT eller PV = nRT där R är gaskonstanten.

Man kan säga att var och en av dessa gaslagar uttrycker effekten av en variabel på en annan, med de återstående två variablerna konstanta.

Question 10

Vad innebär standardtillstånd och under vilka förhållanden mäts detta?

Answer 10

Standardtillstånd är det tillstånd vid vilka ämnens egenskaper tabelleras. Detta betecknas som STP “standard temperatur och tryck”: 1 bar och 0 grader C (273.15 K).

Question 11

Vad säger Daltons partialtryckslag?

Answer 11

I en blandning av icke-reagerande gaser är det totala trycket summan av partialtrycken för de enskilda gaserna. Ptot = Pa+ Pb + Pc…….

Trycket som en gas i mixen utövar är alltså samma som om den varit ensam.

Question 12

Vad innebär begreppet ångtryck?

Answer 12

Ett ämne som finns i vätskefas vid given temperatur och tryck står i jämvikt med samma ämne i gasfas. Partialtrycket hos gasen kallas ångtrycket.

Question 13

Vad har ångtryck med kokpunkt att göra?

Answer 13

När ångtrycket är detsamma som omgivningens tryck så kokar vätskan. När trycket från omgivningen är lika stort som trycket i bubblor av gas som formas inuti vätskan kokar den.

Question 14

Vilka olika typer av system finns inom termodynamiken?

Answer 14

▪ Ett öppet system kan utbyta både energi och materia med omgivningen.
▪ Ett slutet system kan utbyta energi med omgivningen men inte materia (systemet innehåller en fix mängd materia).
▪ Ett isolerat system kan varken utbyta energi eller materia med omgivningen.

Question 15

Vad innebär “inre energi”?

Answer 15

Inre energin E (el. U) anger den totala mängden energi som ett system innehar, alltså potentiell energi + kinetisk energi.

Formeln ΔE = q + w anger att den totala förändringen i ett systems inre energi är summan av den energi som överförs som värme och/eller som arbete:

Question 16

Vi mäter skillnader i inre energi: ΔE = Eslut –Estart = Eprodukter –Ereaktanter.

Vad innebär det att ΔE > 0 vs ΔE < 0?

Answer 16

om ΔE < 0 (negativ) = systemet har avgett energi till omgivningen.
om ΔE > 0 (positiv) = systemet har erhållit energi från omgivningen.

Question 17

Ett sätt att se på inre energi är att betrakta det som ett systems förmåga att utföra arbete (w) och avge värme (q). Hur definieras dessa?

Answer 17

Arbete (w): Den process som utförs när något (en tyngd, elektroner, en gas) sätts i rörelse motsatt den riktning i vilken en kraft påverkar detta något (tyngden, elektronerna , gasen etc.).

Värme (q): Värme är den energi som överförs spontant som ett resultat av att ett system och dess omgivning har olika temperaturer.

Question 18

Vad är termodynamikens första huvudsats?

Answer 18

Energi kan inte skapas eller förstöras, den kan endast omvandlas mellan olika energiformer.

ΔEuniv = ΔEsystemet + ΔEomgivning = 0

Question 19

Man kan säga att inre energi (E) är en tillståndsfunktion, vad innebär det?

Answer 19

Värdet hos en storhet som är en tillståndsfunktion
beror enbart på det tillstånd systemet befinner sig i
vid ett givet tillfälle, inte på hur systemet intog det
specifika tillståndet. Tex ΔE, ΔT, ΔP och ΔV: förändringar i tillståndsfunktioner beror endast på initial och slutliga tillstånd.

Question 20

Förklara vad en tillståndsfunktion är med ett exempel.

Answer 20

Med tillståndsfunktion menar man att värdet på funktionen inte är beroende av hur det uppnåddes,
en analogi är därför att du kan ta olika vägar upp på ett berg, tex jag tar den branta korta vägen och Tindra tar den långa men lättare vägen. När vi båda är på toppen har lika mycket arbete utförts, så vägen dit spelade ingen roll för det totala arbetet.

Question 21

Om vi definierar energi från systemets perspektiv, är energi som överförs till systemet positiv eller negativ? Alltså ΔE = q + w.

Answer 21

∙ Energi som överförs till systemet är positiv, eftersom systemet slutar med mer energi.

∙ Energi som överförs ut från systemet är negativ, eftersom systemet hamnar med mindre energi

Question 22

ΔE = q + w. Värme (q) är ofta lätt att mäta men arbetet är betydligt svårare att bestämma. Då kemiska processer ofta sker under konstant tryck (P) kan vi använda Entalpi (H). Vad innebär begreppet entalpi?

Answer 22

Entalpi (H) är den värme som frigörs eller upptas av systemet vid konstant tryck. ΔH = qp (≈ΔE). Entalpi är en tillståndsfunktion.

Question 23

Entalpiförändringen i en reaktion är ΔH = Hfinal − Hinitial = Hproducts − Hreactants. Är ΔH positiv eller negativ när en reaktion är exoterm vs endoterm?

Answer 23

När en reaktion är exoterm avges energi, vilket innebär en minskning i entalpi: ΔH blir negativ.

När en reaktion är endoterm upptas energi, vilket innebär en höjning i entalpi: ΔH blir positiv.

Question 24

Vad innebär värmekapacitet? (C)

Answer 24

Värmekapaciteten (C) anger den mängd värme som måste tillföras ett ämne för att man ska få en viss temperaturförändring.

Dvs q = CΔT (värmeenergi = en konstant (C) * temperaturförändring)

Question 25

Standardtillståndet hos en egenskap X betecknas X^0, exempelvis ΔH^0, dvs en entalpiförändring som sker vid standardtillstånd. Vilka omständigheter räknas som standartillstånd? (OBS inte samma som STP för gaser)

Answer 25

Tryck (P): 1 bar för det rena ämnet.
Temperaturen är (oftast) 298 K (25 grader C)
Ett upplöst ämne är i sitt standardtillstånd när lösningen har koncentrationen 1 mol/L = 1 M.

Question 26

Hur kan vi använda den ideala gaslagen för att beräkna densiteten för en gas?

Answer 26

densiteten för en gas vid STP är direkt beroende av molmassan eftersom m=Mxn och n = 1 så är M = m, vid konstant tryck och temperatur ger ekvationen: m/V = d = P×ℳ/RT
att densiteten är M/V där V=22,4 (vid STP)

Question 27

Vad innebär den specifika värmekapaciteten för ett ämne? (lilla c) och vad är dess enhet?

Answer 27

Den specifika värmekapaciteten anger hur mycket energi (J) som behövs för att värma upp ett gram av ämnet en grad Kelvin. Enheten är därför J/gxK.

Question 28

Vad säger Hess lag?

Answer 28

Entalpiförändringen av en övergripande process är summan av entalpiförändringarna i dess individuella steg, alltså: ΔHoverall = ΔH1 + ΔH2 + · · · + ΔHn

Question 29

Hur gör man för att bestämma ΔH°rxn för en reaktion?

Answer 29

Vi använder Hess lag och formationsentalpisvärden och sätter in i: ΔH°rxn = ΣmΔH°f(products) − ΣnΔH°f(reactants)
I denna så är reaktanternas formationsentalpivärden minus: −ΔHf° eftersom detta är motsatsen till formation av reaktanten. Produkternas är ΔHf° eftersom de litteraly formas.

Question 30

Potentiell energi hos ett ämne består av två krafter, intramolekylära och intermolekylära krafter. Vad är skillnaden på dessa?

Answer 30

intramolekylära krafter verkar inuti själva molekylen av ämnet, alltså i de bindningar som binder samman atomerna som utgöt ämnet.
Intermolekylära krafter existerar MELLAN molekyler av ett ämne. Det fysiska beteendet i de olika faserna
är annorlunda eftersom styrkorna hos dessa krafter skiljer sig mellan faserna.

Question 31

Hur ser förhållandet mellan potentiell och kinetisk energi ut för de olika faserna?

Answer 31

I gasfas är attraktionen mellan molekylerna nästan obefintlig (låg potentiell energi) eftersom de är så långt ifrån varandra, men den kinetiska energin är hög i gasfas eftersom de är fria och har högre hastighet.

I vätskefas är de intermolekylära krafterna tillräckligt stora för att dra molekylerna nära varandra, men de har ändå tillräckligt mycket kinetisk energi för att röra sig runt i förhållande till varandra.

I fast fas är de intermolekylära krafterna så stora att molekylerna är nästan helt stilla, de kan i princip bara vibrera lite på sin plats i ämnet. I fast fas är alltså den potentiella energin hög och den kinetiska mycket låg.

Question 32

Varför är ΔH°fus oftast mindre än ΔH°vap för ett ämne?

Answer 32

ΔH°fus (smältningsentalpin) är oftast mindre för att det tar mindre energi att minska de intermolekylära krafterna i ett fast ämne så att det blir flytande (fortfarande med relativt starka bindningar i ämnet) än att bryta bindningarna i ett flytande ämne helt så att molekylerna kan flöda fritt.

Question 33

Beskriv hur en värme-kylningskurva ser ut för is till vattenånga.

Answer 33

.

Question 34

Flytande hexan (kokpunkt = 69°C) placeras i en sluten behållare vid rumstemperatur. Till en början ökar trycket i ångfasen, men efter en kort tid slutar det att förändras. Varför?

Answer 34

När flytande hexan placeras i behållaren kommer fler molekyler i vätskefas få tillräckligt med energi för att bryta sig ut vätskan och gå över till gasfas. Denna ökning av gas gör att trycket ökar i behållaren initialt. Efter ett tag blir molekylerna i gasfas så många att fler studsar mot ytan och går över till vätskefas igen. Detta kommer att skifta lite tills en jämvikt mellan ämnet i gasfas och vätskefas uppnås.

Question 35

Om formationen av joner absorberar värmeenergi, varför existerar då joniska fasta ämnen?

Answer 35

joniska fasta ämnen existerar bara för att gitterenergin vida överstiger den totala energi som behövs för att bilda jonerna.

Question 36

Vad är entropi?

Answer 36

Entropi är ett mått på graden av oordning i ett system, där entropin hos ett isolerat system ökar vid en spontan förändring enligt termodynamikens andra huvudsats.

Ur ett molekylärt perspektiv kan entropi förklaras som antal möjliga arrangemang (mikrotillstånd) som är tillgängliga för ett system.

Question 37

Vilka faktorer påverkar entropi?

Answer 37

• Temperaturvariationer (tillförsel av värme, q)
• Volymändringar
• Fasövergångar
• Upplösning av salter eller gaser i en vätska