Termodynamik

Termodynamik er læren om energiomsætninger inden for kemi, fysik, biologi osv. Vi vil i det følgende koncentrere os om kemisk termodynamik.

Termodynamik er et meget systematisk opbygget fagområde. Den er baseret på nogle få såkaldte hovedsætninger, hvorfra alle termodynamikkens øvrige sætninger kan udledes.

Kemisk termodynamik er en makroskopisk beskrivelse af kemiske systemer. Kemisk termodynamik giver os ikke detaljerne ved kemiske reaktioner og forudsiger heller ikke noget om fx reakt ionshastighed. Den er derimod velegnet til at afgøre, om en kemisk reaktion vil kunne forløbe eller ej. Man kan tillige undersøge l igevægtsbetingelser og finde de optimale betingelser for at opnå størst muligt udbytte ved en given kemisk reaktion. Desuden kan man bestemme, hvor meget nyttearbejde der kan frigives.

Det er derfor indlysende, at der i industrien er store interesser forbundet med at kunne lave sådanne forudsigelser. Et eksempel er den økonomisk meget vigtige fremstilling af ammoniak, hvor alle reaktionsforløbets mange enkelttrin er minutiøst undersøgt ved hjælp af termodynamik med henblik på at opnå størst muligt udbytte til lavest mulige pris.

System, energi, varme, arbejde

Lad os starte med at definere, hvad der forstås ved begrebet et system. Ordet system bruges om den mængde stof, man betragter. Verden omkring systemet kaldes omgivelserne.

Et system indeholder en vis mængde energi. Den totale mængde energi i systemet kaldes systemets indre energi, Eindre , og er den samlede kinetiske og potentielle energi knyttet til systemets atomer, molekyler og/eller ioner.

Et systems indre energi kan ændres ved at ændre på to faktorer: varme og arbejde. Hvis systemets temperatur er forskellig fra omgivelsernes temperatur, vil der foregå en energitransport mellem s ystem og omgivelser. Denne energitransport kaldes varme.

For at begynde med et simpelt eksempel kan vi tage et system, som består af et krus øl, se figur 1.

Systemets omgivelser er bordpladen og luften omkring ølkruset osv. Man må naturligvis beslutte sig for, om man vil regne selve glasset med til systemet eller til omgivelserne.

Hvis øllet er nyskænket og koldt, vil temperaturen i øl og glas langsomt stige som tegn på, at der tilføres varme fra omgivelserne til systemet. Dette sker ved, at molekylerne i luften overfører energi til glasset, når de støder ind i glassets yderside. Atomerne i glasset kommer derved i lidt voldsommere svingninger og overfører energi til de molekyler i øllet, som støder ind i den indre glasvæg. Varme er en energitransport, som er knyttet til de »tilfældige« bevægelser af partiklerne i system og omgivelser. Varme kan siges at være transport af uordnet energi. Denne energitransport fortsætter, indtil systemet har samme temperatur som omgivelserne.

Varmetilførslen til systemet kaldes Q , og den angives med enheden J (joule). Varmetilførslen til systemet regnes med fortegn. Q er positiv, når der tilføres varme til systemet, og negativ, når varme fjernes fra systemet. Hvis Q er lig med 500 J, betyder det, at der er sket en varmetilførsel på 500 J til systemet fra omgivelserne.

Tilsvarende betyder Q = -300 J, at der er en varmea fgivelse på 300 J fra systemet til omgivelserne. En varmeafgivelse regnes altså som en negativ varmetilførsel, jævnfør figur 2.

Arbejde er en energitransport, som er knyttet til en »ordnet« bevægelse. Fx tilfører vi et system arbejde, hvis vi rører rundt i systemet. Arbejde betegnes med A og angives på samme måde som for varme med enheden J. Det tilførte arbejde regnes også med fortegn på ganske samme måde som varme.

Kruset med øl i figur 1 er et eksempel på et system, hvor der både kan udveksles stof og energi med omgivelserne, og dette kaldes for et åbent system. Det er let at observere, at der forsvinder stof fra kruset, idet man bl.a. kan lugte de flygtige stoffer fra øllet, og man kan ikke undgå at se de mange bobler af carbondioxid, som stiger op til øllets overflade.

Et system kaldes lukket, hvis det ikke udveksler stof med omg ivelserne. Et lukket system kan godt udveksle energi med omg ivelserne, men for at kunne betragtes som lukket må der fx ikke ske fordampning af stof, som derefter kan spredes ud i omgivelserne. Vi kan undgå stoftab ved at lukke systemet med et tæt låg. Et eksempel på et lukket system er en dåse med øl, se figur 4.

Når systemets temperatur er nær stuetemperatur, er ford ampn ingen så ringe, at vi ved kortvarige eksperimenter i praksis kan anse et åbent system for at være lukket, selv om der ikke er låg på beholderen.

Et lukket system kan kun ændre stofsammensætning, hvis der sker en kemisk reaktion i systemet. Vi vil i det følgende kun betragte lukkede systemer.

Et varmeisoleret system har ingen varmeudveksling med omgivelserne, men der kan godt udveksles arbejde med omg ivelserne. En termokande kan tilnærmelsesvis betragtes som et varmeisoleret system. I en god termokande holder kaffen sig varm i lang tid, men der er trods alt en lille varmeafgivelse, så kaffens temperatur efterhånden falder. En termokande er naturligvis også velegnet til at opbevare kolde drikke.

Et isoleret system udveksler hverken stof eller energi med omgivelserne, men der er ikke noget i vejen for, at der kan ske kemiske omdannelser i systemet. I praksis findes der ingen isolerede systemer, men inden for korte tidsrum kan fx meget grundigt varmeisolerede systemer anses for at være isolerede.

Termodynamikkens 1. hovedsætning

Som nævnt ovenfor kan et kemisk system udveksle varme og arbejde med omgivelserne. Dette vil bevirke en tilvækst i systemets indre energi, Eindre , som er lig med summen af det tilførte arbejde, A , og den til førte varme, Q (regnet med fortegn): systemet (Q > 0).

Figur 6. Systemet begynder i tilstand 1 og slutter i tilstand 2. Overgangen fra den ene tilstand til den anden kræver tilførsel af varme og/eller arbejde.

∆Eindre = Q + A