Sammendrag i KJ1042
Transcription
Sammendrag i KJ1042
Grunnleggende Termodynamikk Notater i faget KJ1042 H.T.L. Sist endret: 19.05.15 Sammendrag Dette dokumentet inneholder notater fra 2. utgave av boka Fysikalsk kjemi skrevet av Morten Helbak og Signe Kjelstrup, med noen tillegg fra andre kilder. Notatene her er skrevet som en del av læringsprosessen min i faget KJ1042 ved NTNU våren 2015. Notatet er derfor ikke tenkt å være komplett eller spesielt grundig gjennomlest for feil. Ønsker du å lese et mer gjennomarbeidet sammendrag av KJ1042 kan du prøve Ove Øyås sitt sammendrag som du finner her. Til tross for sine mangler så er dette notatet en kortfattet versjon av mange viktige ting i pensum, det dekker litt andre ting enn Ove Øyås sitt dokument, og det er derfor kanskje nyttig for flere enn meg. 1 Innhold 1 Kapittel 1. Gasser 1.1 System og omgivelser . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Ekstensive og intensive størrelser . . . . . . . . 1.3 Prosessbetegnelser . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Ideel gass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Kritiske punkter . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Van der Waals tilstandslikning for reele gasser . 1.7 Loven om korresponderende tilstander . . . . . 1.8 Virialutviklingen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9 Boyletemperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . 1.10 Intermolekylære krefter i gasser . . . . . . . . . 2 Kapittel 2. Energi, termodynamikkens 1. lov 2.1 Tilstandsfunksjoner . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Termodynamikkens første lov . . . . . . . . . 2.3 Reversible og irreversible prosesser . . . . . . 2.4 Prosesser ved konstant temperatur . . . . . . 2.5 Sammenheng mellom energi og effekt . . . . . 2.6 Prosesser ved konstant volum, indre energi . . 2.7 Prosesser ved konstant trykk, entalpi . . . . . 2.8 Varmekapasitet . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9 Sammenheng mellom CV og CP . . . . . . . 2.10 Temperaturuavhengighet for varmekapasitet . 2.11 Ekvipartisjonsprinsippet . . . . . . . . . . . . 2.12 Varmekapasitet for idelle gasser . . . . . . . . 2.13 Varmekapasitet for reelle gasser . . . . . . . . 2.14 Standardtilstander . . . . . . . . . . . . . . . 2.15 Temperaturavhengighet for reaksjonsentalpier 2.16 Entalpiendring ved faseoverganger . . . . . . 2.17 Den adiabatiske tilstandslikningen . . . . . . 2.18 Oppsummering av prosesser for ideelle gasser 2.19 Joule-Thomson-effekten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 5 5 5 5 6 6 6 7 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 9 9 9 10 10 10 10 11 12 12 12 13 13 13 14 14 14 14 14 3 Kapittel 3. Entropi, termodynamikkens 2. lov 3.1 Termodynamikkens 2. lov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Entropi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Carnot-maskinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Virkningsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Endring i entropi for reversible og irreversible prosesser . . 3.6 Den termodynamiske grunnlikningen, Gibbs likning . . . . . 3.7 Beregning av endring i entropi for ulike reversible prosesser 3.8 Entropiendring ved faseoverganger . . . . . . . . . . . . . . 3.9 Entropiendring i blandingsprosesser . . . . . . . . . . . . . . 3.10 Termodynamikkens 3. lov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 16 16 16 17 17 17 18 18 18 18 4 Gibbs’ energi og kjemisk likevekt 4.1 Kriterie for termodynamisk likevekt . . . . . . . 4.2 Gibbs’ energi, prosesser ved konstant trykk . . . 4.3 Standard Gibbs’ energier . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Helmholtz’ energi, prosesser ved konstant volum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 19 19 19 19 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 Gibbs’ likning i et lukkede systemer . . . . . Gibbs’ energi i en reell gass, fugasitet . . . . . Maxwellrelasjonene . . . . . . . . . . . . . . . Gibbs-Helmholtz’ likning . . . . . . . . . . . . Kjemisk potensial . . . . . . . . . . . . . . . . Faselikevekter . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gibbs energi og tilgjengelig arbeid . . . . . . Kjemisk likevekt . . . . . . . . . . . . . . . . Le Châteliers prinsipp . . . . . . . . . . . . . Kjemisk likevekt i ideelle systemer . . . . . . Kjemisk likevekt i reelle systemer . . . . . . . Hess’ lov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Likevektskonstantens temperaturavhengighet Likevektskonstantens trykkavhengighet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Kapittel 5. Faselikevekter i rene stoffer 5.1 Generelt om faser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Fasediagrammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Damptrykk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Clapeyrons likning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Clausis-Clapeyrons likning . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Høyere ordens faseoverganger i enkomponentsystemer 5.7 Overflatespenning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8 Termodynamikk for overflater . . . . . . . . . . . . . . 5.9 Kapillærkrefter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.10 Damptrykk for dråper (Kelvins likning) . . . . . . . . 6 Kapittel 6. Faselikevekter i løsninger og blandinger 6.1 Raoults lov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Henrys lov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Alternativ måte å forstå Raoults og Henrys lov på . . 6.4 Daltons lov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Diagrammer for binære systemer . . . . . . . . . . . . 6.6 Vektstangregelen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Partielle molare størrelser . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8 Gibbs-Duhems likning . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 Raoults lov standardtilstand . . . . . . . . . . . . . . . 6.10 Henrys lov standardtilstand . . . . . . . . . . . . . . . 6.11 Ideelle blandinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12 Termodynamiske eksessfunksjoner . . . . . . . . . . . 6.13 Kolligative egenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.14 Damptrykksreduksjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.15 Frysepunktnedsettelse og kokepunktforhøyelse . . . . . 6.16 Osmotisk trykk - van’t Hoffs likning . . . . . . . . . . 6.17 Gibbs’ faseregel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.18 Eutektiske blandinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Kapittel 9. Elektrolyttløsninger 9.1 Noen grunnleggende elektriske størrelser 9.2 Coulombs lov . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Ledningsevne for elektrolyttløsninger . . 9.4 Svake elektrolytter . . . . . . . . . . . . 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 20 20 21 21 22 23 23 24 24 24 24 25 25 . . . . . . . . . . 26 26 26 26 26 27 28 28 28 28 29 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 30 30 30 30 30 31 31 32 32 33 33 34 34 34 34 35 36 36 . . . . 37 37 37 37 38 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11 9.12 Van’t Hoffs i-faktor . . . Sterke elektrolytter . . . Ohms lov . . . . . . . . Kohlrauschs lov . . . . . Ionemobilitet . . . . . . Transporttall for ioner . Hydratiserte ioner . . . Debye-Hückels grenselov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 39 39 39 40 40 40 40 10 Kapittel 10. Elektrokjemi 10.1 Termodynamikk for en elektrokjemisk celle 10.2 Elektrokjemisk likevekt . . . . . . . . . . . 10.3 Nernst likning . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4 Konsentrasjonsceller . . . . . . . . . . . . . 10.5 Elektromotorisk kraft (emf ) . . . . . . . . . 10.6 Væskekontaktpotensial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 41 41 41 42 42 42 A Partiellderivering og totalt differensiale 43 A.1 Sjekk for om det er et totalt differensial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 A.2 Hvordan finner vi funksjonen til det totale differensialet?2 . . . . . . . . . . . . . 44 A.3 Kort om Δ, d og ∂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 B De viktigste formlene 46 4 1 Kapittel 1. Gasser 1.1 System og omgivelser Begrep Åpent system Lukket system Isolert system 1.2 Masseutveksling Ja Nei Nei Varmeutveksling Ja Ja Nei Ekstensive og intensive størrelser Alle størrelser er enten intensive eller ekstensive. En ekstensiv størrelse er avhengig av mengde stoff, f.eks. volum, masse, lengde, osv., mens en intensiv størrelse er uavhengig av mengde stoff, f.eks. temperatur, tetthet, molvekt, osv. Forholdet mellom to ekstensive størrelser gir en intensiv størrelse, f.eks. masse delt på volum som gir tetthet. 1.3 Prosessbetegnelser Begrep Isoterm Isobar Isokor Adiabatisk Diaterme 1.4 Forklaring konstant temperatur konstant trykk konstant volum prosesser i isolerte systemer varmeutveksling med omgivelsene Ideel gass Følgende krav må være tilfredstilt for at en gass skal være ideel: 1. Gassmolekylene har ingen utstrekning 2. Det virker ingen frastøtning eller tiltrekningskrefter mellom gassmolekylene 3. Gassmolekylene er i kontinuerlig bevegelse Hvis gassen er ideel så følger den ideele gassloven: P V = nRT 1.5 (1) Kritiske punkter Over kritiske punkter er det umulig å få til en faseovergang, det finnes kritisk temperatur (Tc ), kritisk trykk (Pc ) og kritisk volum (Vc ). Over dette området kalles gassen superkritisk fluid. Den flate delen av en isoterm som går gjennom tofaseområdet kalles for en sammenknytningslinje. Dette området blir mindre når temperaturen stiger, og forsvinner når det når kritisk punkt. Hvis vi har en tilstandslikning som beskriver isotermer, som P = P (V ), der den konstante temperaturen er kritisk temperatur, blir kritisk punkt vendepunktet. I kritisk punkt gjelder 5 altså likning 2, som kan betegnes som definisjonen på kritisk punkt. 2 δP δ P og δV Tc δV 2 Tc 1.6 (2) Van der Waals tilstandslikning for reele gasser Van der Waals’ tilstandslikning korrigerer for at gassmolekylene faktisk har volum og at det faktisk virker krefter mellom molekylene. Volumet blir korrigert for ved å endre V til (V − nb). b kalles kovolumet og representerer omtrent det volumet et mol gassmolekyler representerer, n er antall mol. Tiltrekningskrefter er proporsjonale med gassens tetthet og da kreftene påvirker trykket gjennom to faktorer så blir korreksjonsleddet for trykket en empirisk konstant ganger kvadratet av tettheten (a n2 /V 2 ). Trykket gassen ville hatt uten disse tiltrekningskreftene blir derfor P + a n2 /V 2 . Vi får van der Waals’ tilstandslikning: n2 P + a 2 (V − nb) = nRT (3) V Det finnes også flere tilstandslikninger som er bedre i mange tilfeller, men disse gidder jeg ikke skrive ned. Se i boka. 1.7 Loven om korresponderende tilstander Ved å skrive om van der Waals’ likning til en 3. gradslikning uttrykt i Vm , løse den i det kritiske punktet, sette inn disse løsningene i likningens opprinnelig form og innføre de reduserte variablene Pr = P/Pc , Vr = Vm /Vc og Tr = T /Tc , får vi van der Waals’ likning på formen: 3 1 8 Pr + 2 Vr − = Tr (4) Vr 3 3 Denne inneholder ingen konstanter som avhenger av den enkelte gass. Dermed vil alle gasser som i utgangspunktet følger van der Waals’ likning også følge denne tilstandslikningen hvis reduserte variabler benyttes. Dette er et eksempel på loven om korresponderende tilstander som kan formuleres slik: Gasser ved samme reduserte temperatur og reduserte volum vil gi samme reduserte trykk. 1.8 Virialutviklingen For å kvanitisere reele gassers avvik fra idealet er det ofte hensiktsmessig å studere kompresjonsfaktoren, Z, definert ved: PV Z= (5) nRT Z < 1: Tiltrekningskrefter mellom molekylene i gassen gir en reduksjon i P Z = 1: Ideel gass Z > 1: Frastøtning mellom molekylene i gassen gir en økning i P 6 Avvik fra idealet kan uttrykkes ved kompresjonsfaktoren i viriallikningen. Koeffisientene i polynomet (f.eks. B 0 , C 0 og D0 ) er funksjoner av temperaturen. Viriallikningen i trykket: Z = Z(P, T ) = P Vm = 1 + B 0 P + C 0 P 2 + D0 P 3 + · · · RT (6) Viriallikningen i tetthet: 1 P Vm 1 1 + C 2 + D 3 + ··· =1+B RT Vm Vm Vm 2 3 = 1 + Bρ + Cρ + Dρ Z = Z(P, T ) = (7) (8) B, C og D kan tolkes som bidraget andreordens interaksjoner, tredjeordens interaksjoner, osv. gir avviket fra idealet. Tredjeordens interaksjoner forekommer svært sjeldent, og høyere ordner blir bare sjeldnere, så vi pleier å kun ta med leddene til og med tredje orden. 1.9 Boyletemperaturen For en ideel gass er Z = 1, det betyr at dZ/dP = 0. For en reel gass blir: dZ = B 0 + 2C 0 P + 3D0 P 2 + · · · dP (9) Hvis dZ/dP = 0, så vil en reel gass gå mot en ideel når P → 0, av likning 9 ser vi at når P → 0 vil dZ/dP → B 0 . Dette betyr at kravet til idealitet oppfylles for den reele gassen når B 0 = B 0 (T ) = 0 og P → 0. Temperaturen som oppfyller dette kalles gassens Boyletemperatur (TB ): B 0 (TB ) = 0 og B(TB ) = 0 (10) Boyletemperaturen er altså en temperatur der en reel gass oppfører seg tilnærmet ideelt ved lave trykk. 1.10 Intermolekylære krefter i gasser Den viktigste årsaken til at reelle gasser avviker fra idealitet er at det virker krefter mellom molekylene. Disse kreftene uttrykkes vanligvis som en potensialfunksjon mellom to molekyler. Potensialfunksjonen har dimensjonen energi, og uttrykker potensiell energi mellom to partikler, se figur 1. Den potensielle energien er avhengig av avstanden mellom partiklene, og vi har derfor u = u(r) (11) Når partiklene beveger seg mot hverandre øker tiltrekningskraften ettersom avstanden minker, her er du/dr > 0, og kraften som virker mellom partiklene er negativ i følge likningen. Tiltrekningskraften mellom to partikler har altså negativt fortegn, frastøtning positivt. Tiltrekningskraften øker ettersom de nærmer seg hverandre, og da øker også farten. Ved en verdi − vil u(r) nå sitt minimum. Partiklene fortsetter å nærme seg hverandre, men de mister nå fart da det virker frastøtende krefter mellom partiklene, du/dr < 0. Når avstanden melom partiklene kjerner er r = σ, så vil den potensielle energien være lik null. Når vi kommer til punktet der den kinetiske energien blir lik null, så vil partiklene snu og følge banen tilbake. 7 Vi kan forenkle denne modellen og anta at partiklene er harde kuler som koliderer med uelastisk støt kalt hard kule-modellen. Her vil potensialfunksjonen gå mot uendelig når r = r0 (r0 =diameteren til partikkelen), og være null for alle r > r0 . En litt mer avansert potensialfunksjon er rettvinklet brønnpotensial. Her er det et område mellom r0 og en avstand r1 der potensialfunksjonen har minimumsverdien −. Ellers er den lik hard kule-modellen. Dette området tar hensyn til tiltrekningskrefter mellom partiklene. Virialkoeffisienter sier også noe om interaksjoner mellom molekylene i en gass. Virialkoeffisienter kan beregnes direkte fra potensialfunksjoner. Andre virialkoeffisient kan beregnes fra uttrykket Z B(T ) = 2πNA ∞ (1 − e−u(r)/kT )r2 dr (12) 0 Figur 1: Potensialfunksjonen U og hvordan det virker attraksjonskrefter og frastøtningskrefter mellom molekylene avhengig av avstanden r mellom dem. 8 2 2.1 Kapittel 2. Energi, termodynamikkens 1. lov Tilstandsfunksjoner Et system (f.eks. en gass) i likevekt vil alltid befinne seg i en tilstand, denne kan beskrives med tilstandsfunksjoner. Disse er makroskopiske størrelser og vil være fullstendig beskrevet av et bestemt antall tilstandsfunksjoner. Endringen i en tilstandsfunksjon avhenger kun av funksjonens starttilstand og sluttilstand, ikke veien i mellom disse. 2.2 Termodynamikkens første lov Universets energi er konstant, energi kan bare gå over i nye former, ikke skapes eller forbrukes. Indre energi, U , for et system består i hovedsak av kinetisk og potensiell energi. Ser vi på vekselvirkningen mellom systemet og omgivelsene kan vi forstå endringen i indre energi i et system ut fra tilført (fjernet) varme, q, eller arbeid, w, utført på (av) systemet. Summen av varme og arbeid tilført systemet må være lik endringen i indre energi for systemet, dette er termodynamikkens 1. lov ∆U = q + w (13) Figur 2: Figur for å bestemme fortegn i termodynamikkens første lov. Modifisert fra forelesningsslides for å stemme med IUPAC sine bestemmelser (brukt i boka) i motsetning til Clausius sine originale fortegn (som foreleser bruker), se wikipedia for mer info 2.3 Reversible og irreversible prosesser I en reversibel prosess er det balanse mellom kreftene, slik at den kan reverseres uten tap av energi. Prosessen går i uendelig små trinn slik at termodynamisk likevekt hele tiden er innstilt. På grunn av dette vil den ta uendelig lang tid, og fullstendig reversible prosesser derfor ikke mulig å oppnå i virkeligheten. Med en irreversibel prosess menes en prosess som går av seg selv i én retning, altså en spontan prosess. Et system som gjennomgår en irreversibel prosess vil ofte være i stand til å gå tilbake til sin starttilstand, men dette må medføre energitap og entropiøkning for omgivelsene. Alle reelle prosesser er irreversible, men dersom systemet responderer til endringer mye raskere enn disse endringene utføres, kan avviket fra reversibilitet være neglisjerbart. 9 For en reversibel prosess finner vi arbeidet ved å integrere fra start- til sluttilstanden med Peks = P . Når en gass ekspanderer fra startvolumet V1 til sluttvolumet V2 blir det reversible arbeidet Z Z Z V2 V2 V2 Peks (−dV ) = − dw = wrev = P dV (14) V1 V1 V1 Hvis vi holder temperaturen konstant (ved å tilføre varme) og har en ideell gass, blir det reversible arbeidet Z V2 Z V2 Z V2 nRT dV V2 P dV = − wrev = (15) dV = −nRT = −nRT ln V V1 V1 V1 V1 V For en irreversibel prosess er det eksterne trykket Peks hele tiden lik sluttrykket (P2 ), må altså vi hele tiden regne med P2 = Peks . Z V2 Z V2 dV = −P2 (V2 − V1 ) = −Peks (V2 − V1 ) (16) Peks dV = −P2 wirr = − V1 V1 2.4 Prosesser ved konstant temperatur For en ideell gass blir endringen i indre energi, ∆U , lik null i isoterme prosesser. Her kan vi altså bruke termodynamikkens første lov til å beregne varme tilført systemet fra omgivelsene. ∆U = q + w 2.5 ⇔ 0 = qT + wT ⇔ qT = −wT (17) Sammenheng mellom energi og effekt Effekt er definert som arbeid per tidsenhet med benevning J s−1 kalt watt (W). Tilsvarende energi er effekt ganger tid og måles i kilowatt-timer (kWh). 2.6 Prosesser ved konstant volum, indre energi Hvis volumet er konstant vil endringen i volum, dV , hele tiden være lik 0, det betyr at Z wV = − Peks dV = 0 (18) Kombineres denne med termodynamikkens første lov får vi ∆U = q + w 2.7 ⇒ ∆UV = qV (19) Prosesser ved konstant trykk, entalpi I prosesser i lukkede systemer som går under konstant trykk vil varme utvekslet mellom system og omgivelser bli lik endringen i en energistørrelse kalt entalpi (H). Denne definerer vi slik H = U + PV (20) Varmemengden som tilføres systemet (fra omgivelsene) i en prosess med konstant trykk er lik endring i entalpi qP = H2 − H1 = ∆H (21) 10 Type prosess Endoterm Eksoterm 2.8 ∆H > 0 ∆H < 0 ⇒ ⇒ Prosessen (systemet) tar i mot varme fra omgivelsene Prosessen (systemet) avgir varme til omgivelsene Varmekapasitet Varmekapasiteten, C, for et stoff er per definisjon forholdet mellom varme tilført og temperaturstigningen dq C= (22) dT Vi kan forenklet si at varmekapasitet er den varmemengden som må til for å øke stoffets temperatur med 1 grad Kelvin. Spesifikk varmekapasitet er varmekapasitet per enhet masse (J K−1 kg−1 ). Molar varmekapasitet er varmekapasitet per mol (J K−1 mol−1 ). Da varmemengden (q) ikke er en tilstandsfunksjon så kan heller ikke varmekapasiteten C være en tilstandsfunksjon. Den er atlså avhengig av veien vi går mellom start- og sluttilstand. Det betyr at varmekapasiteten er forskjellig avhengig om den tilføres under konstant trykk eller konstant volum (vi antar konstant trykk hvis det ikke er oppgitt). Vi kan formulere et uttrykk for varmekapasitet for et stoff som gjennomgår en prosess ved konstant volum. Fordi vi vet at for prosesser ved konstant volum er varme mottatt av systemet lik systemets økning i indre energi, qV = ∆U , har vi qV ∂∆U ∂U CV = = = (23) dT ∂T V ∂T V Varmekapasitet for et stoff som gjennomgår en prosess ved konstant trykk kan uttrykkes på samme måte. Her er varmen mottat av systemet lik systemets økning i entalpi, qP = ∆H. Dette gir qP ∂∆H ∂H CP = (24) = = dT ∂T ∂T P CV og CP er tilstandsfunksjoner. Likningene over gjør at vi kan beregne endring i indre energi og entalpi for disse prosessene. Vi kan omforme likningene til qV = dU = CV dT (25) qP = dH = CP dT (26) Ved å integrere disse finner vi varmemengden nødvendig for å heve temperaturen fra T1 til T2 ved hhv. konstant volum og konstant trykk og endring i indre energi og endring i entalpi. Z T2 Z T2 qV = dqV = CV dT (27) T1 T2 Z ∆U = Z T1 T2 dU = T1 Z T2 qP = CV dT dqP = T1 Z T2 ∆H = (28) T1 Z T2 CP dT (29) CP dT (30) T1 Z T2 dH = T1 T1 ∆U beregnes fra likning 28 og ∆H fra likning 30 uansett om prosess går ved konstant volum eller konstant trykk da disse avhenger kun av starttilstand og sluttilstand. 11 2.9 Sammenheng mellom CV og CP De fleste væsker regnes som inkompressible, det betyr at vi kan sette mekanisk trykk-volumarbeid ∆(P V ) på væskefaser til å være lik 0. Det betyr at endring i indre energi ∆U blir lik endring i entalpi ∆H for væskefasen, ∆H = ∆U . Får dette fra definisjonen av entalpi (∆H = ∆U + ∆(P V )). Dette betyr at CP = CV for væsker. Vi har også at sammenhengen mellom CV og CP er CP = CV + nR 2.10 ⇔ CP,m = CV,m + R (31) Temperaturuavhengighet for varmekapasitet Det er i hovedsak snakk om tre ulike former for bevegelse i molekyler: translasjon, rotasjon og vibrasjon. I faste stoffer har ikke molekylene translasjonsbevegelse. Enatomige ideelle molekyler har kun translasjonsenergi. Da de kan bevege seg i tre dimensjoner så har de totalt tre frihetsgrader. Lineære molekyler med to eller tre atomer vil både vibrere og rotere i tillegg til at de beveger seg gjennom rommet. De kan rotere rundt to av de tre aksene, x, y og z. De har ingen moment ved rotasjon rundt x-aksen. Det har dermed to rotasjonsfrihetsgrader. Ikke-lineære kan rotere rundt alle og har tre rotasjonsfrihetsgrader. Vi finner frihetsgrader for vibrasjonsbevegelser i et molekyl ved å først finne totalt antall frihetsgrader også trekke fra antall frihetsgrader for translasjon eller rotasjon. I et molekyl med N antall atomer beskrives til en hver tid posisjonen for hvert atom med tre vektorer i rommet. Isolert sett har altså hvert atom tre frihetsgrader for bevegelse. Dette gir altså at Lineære molekyer Ikke-lineære molekyler 2.11 Translasjon 3 3 Rotasjon 2 2 Vibrasjon 3N − 5 3N − 6 Totalt 3N 3N Ekvipartisjonsprinsippet Ekvipartisjonsprinsippet sier at middelverdien av hvert kvadratiske ledd i energifunksjonen er lik 1/2kT , der k er Boltzmanns konstant. Når vi har mange partikler i et system så ser vi på gjennomsnittsverdien for bevegelsen, denne kan dekomponeres i de ulike retningene. Kvadrerer dem pga. seinere bruk. u2 = u2x + u2y + u2z (32) Sannsynligheten for hastighetskomponenter i x-, y- eller z-retning er den samme, og vi har gjennomsnittlig kinetisk energi for en partikkel lik Ek = 1/2mu2 = 1/2mu2x + 1/2mu2y + 1/2mu2z = 1/2kT + 1/2kT + 1/2kT = 3/2kT (33) (34) Dette betyr at hver frihetsgrad for bevegelse gir et bidrag på 1/2kT til energifunksjonen. Da en enatomig ideell gass kun har translasjonsenergi med tre frihetsgrader blir indre energi for en slik partikkel: U = 1/2kT + 1/2kT + 1/2kT = 3/2kT . Da R = kNA så blir indre energi per mol for en enatomig ideell gass 3 3 Um = NA kT = RT (35) 2 2 12 For en toatomig idell gass må vi også ta hensyn til rotasjons- og vibrasjonsenergi. Rotasjonsenergien vil også gi et bidrag per frihetsgrad, men vibrasjonsbevegelsen er sammensatt av to typer energi, kinetisk og potensiell energi. Hver av disse to energiene vil gi et bidrag på 1/2kT per frihetsgrad. For et toatomig gassmolekyl blir altså energifunksjonen: 7 U = 1/2kT + 1/2kT + 1/2kT + 2(1/2kT ) + 2(1/2kT ) = kT 2 (36) Dermed blir indre energi per mol for en toatomig ideell gass: Um = NA 7 7 = RT 2 2 (37) Dette funker kun for enatomige ideelle gasser, vil bryte sammen for en toatomig gass eller enda mer komplisert gass. 2.12 Varmekapasitet for idelle gasser Kan bruke resultatet fra ekvipartisjonsprinsippet til å beregne varmekapasitet for ideelle enatomige gasser ved konstant V og konstant P 3 ∂U ∂ 3 CV,m = = RT = R (38) ∂T V,m ∂T 2 2 3 5 CP,m = CV,m + R = R + R = R (39) 2 2 Gjør det samme for toatomig gass og får CV,m = 72 R og CP,m = 29 R. Varmekapasiteten for en ideell gass er uavhengig av trykket. 2.13 Varmekapasitet for reelle gasser Man har funnet sammenhengen mellom temperatur og CP,m empirisk. Den er en amputert potensrekke med empirisk bestemte konstanter a, b og c CP,m = a + bT + cT −2 (40) Vi kan ikke finne mer nøyaktig enn tre ledd fordi det fjerde blir så lite at usikkerhetene i målingene blir større, den riktige er en uendelig potensrekke. Varmekapasiteten vil som oftest endre seg minst i væsker og faste stoffer, i termodynamiske beregninger gjør man derfor ofte den tilnærmingen å regne med konstant varmekapasitet hvis temperaturendringen er liten. 2.14 Standardtilstander For å sammenlikne tilstander har man innført standardtilstander. For gasser har man innført STP (Standard Temperature and Pressure) som er 1 bar og 25 ◦ C. ∆H o betyr at P = 1 bar. Må oppgi temperatur i tillegg (∆H o (500 K)). Man har innført at ∆H o (298 K) = 0 for alle grunnstoffer i sin normaltilstand. 13 2.15 Temperaturavhengighet for reaksjonsentalpier Endring i entalpi er avhengig av temperaturen, og kan beregnes med følgende likning Z T2 ∆CP dT ∆H2 = ∆H1 + (41) T1 2.16 Entalpiendring ved faseoverganger Sammenhengen mellom de tre entalpiendringene for de tre ulike faseovergangene er ∆sub Hm = ∆fus Hm + ∆vap Hm (42) Der sub=sublimering, fus=smelting og vap=fordampning og vi her snakker om den molare entalpien. 2.17 Den adiabatiske tilstandslikningen For en reversibel adiabatisk prosess (prosess i isolert system) gjelder P1 V1γ = P2 V2γ der γ = CP CV (43) For en adiabatisk prosess er qrev = 0 etter definisjonen. 2.18 Oppsummering av prosesser for ideelle gasser Konst. V Konst. P Konst. T Adiabatisk 2.19 wrev,m 0 R(T1 − T2 ) RT ln(P2 /P1 ) CV,m (T2 − T1 ) qrev,m CV,m (T2 − T1 ) CP,m (T2 − T1 ) RT ln(P2 /P1 ) 0 ∆Um CV,m (T2 − T1 ) CV,m (T2 − T1 ) 0 CV,m (T2 − T1 ) ∆Hm CP,m (T2 − T1 ) CP,m (T2 − T1 ) 0 CP,m (T2 − T1 ) Joule-Thomson-effekten Joule-Thomson-effekten er at en gass forandrer temperatur når den ekspanderer mot et lavere trykk. I romtemperatur vil de fleste gasser avkjøles, men det finnes en temperatur der denne effekten snur fra avkjøling til oppvarming. Hydrogen, helium og neon varmes opp ved romtemperatur. På mikroskopisk nivå kan Joule-Thomson effekten forstås ved å ta utgangsgpunkt i potensialfunksjonen, se figur 3. Når trykket er høyt i en gass vil avstanden være liten mellom molekylene og det er derfor frastøtningskrefter som dominerer. Når frastøtningskreftene dominerer vil det være bygget opp potensiell energi mellom molekylene. Når gassen så ekspanderer mot et lavere trykk vil avstanden mellom molekylene øke, denne oppbygde potensielle energien får da mulighet til å gå over i kinetisk energi, og gassen blir varmet opp. Når trykket i gassen derimot er lavt vil attraksjonskrefter mellom gassmolekylene dominere. Når gassen ekspanderer mot et lavere trykk vil avstanden mellom molekylene øke. Men denne gangen har ikke gassen noe potensiell energi å hente energien fra. Gassen må heller ta denne energien fra sin egen kinetiske energi, og dermed synker temperaturen. 14 Figur 3: Potensialfunksjonen U og hvordan det virker attraksjonskrefter og frastøtningskrefter mellom molekylene avhengig av avstanden r mellom dem. Joule-Thompsons koeffisienten som beskriver denne prosessen er ∂T µ= ∂P H 15 (44) 3 3.1 Kapittel 3. Entropi, termodynamikkens 2. lov Termodynamikkens 2. lov Termodynamikkens 2. lov sier at enhver spontant energioverføring også medfører en økning i entropi for systemet. 3.2 Entropi Entropi er et mål på antall tilstander som et termodynamisk system kan befinne seg i. Dette blir ofte betraktet som en grad av uorden, jo høyere entropi jo mer uorden. For å få arbeid må vi ha ordnet bevegelse, derfor vil uorden i en prosess være et mål på tapt arbeid, eller energi overført til varme. Sammenhengen mellom entropi, S, og antall mikroskopiske tilstander, W , er definert som S = k ln W (45) der k er Boltzmanns konstant (1.381 · 10−23 J/K−1 ) Hvis volumet til en ideell gass øker til det dobbelte vil også antall mikrotilstander øke til det dobbelte. Det betyr at W2 V2 = (46) W1 V1 Dette kan vi bruke til å beregne endringen i entropi for prosessen W2 V2 ∆S = k ln W2 − k ln W1 = k ln = k ln W1 V1 (47) For et mol gass blir ∆Sm = NA k ln V2 V1 = R ln V2 V1 (48) Fra seksjon 2.17 vet vi at for en reversibel prosess gjelder qrev, m = RT ln(V2 /V1 ). Kombineres dette med likning 48 får vi qrev, m (49) ∆Sm = T Entropi er en tilstandsfunksjon og er derfor kun avhengig av stattilstand og sluttilstand. 3.3 Carnot-maskinen En Carnot-maskin er en maskin som følger en Carnot-syklus. I en Carnot-syklus utføres arbeid når varme strømmer fra en høy temperatur Th til en lav temperatur Tc . Delprosessene i en Carnot-syklus er definert som prosessen A → B → C → D → A, omvandlingene og energiberegninger i hvert trinn er oppsummert i tabellen under. Carnot-syklusen antar fullstendige reversible prosesser, noe det aldri vil være i virkeligheten. Dette betyr at en Carnot-maskin kun vil være en tilnærming vi kan sammenlikne reelle maskiner med. 16 Steg Isoterm ekspansjon Adiabatisk ekspansjon Isoterm kompresjon Adiabatisk kompresjon Total 3.4 A→B B→C C→D D→A A→A ∆U 0 CV,m (Tc − Th ) 0 CV,m (Th − Tc ) 0 qrev RTh ln(V2 /V1 ) 0 RTc ln(V4 /V3 ) 0 R(Th − Tc ) ln(V2 /V1 ) Wrev RTh ln(V1 /V2 ) CV,m (Tc − Th ) RTc ln(V3 /V4 ) CV,m (Th − Tc ) R(Th − Tc ) ln(V1 /V2 ) Virkningsgrad Virkningsgrad (η) er forholdet mellom avgitt effekt (Pout ) og tilført effekt (Pinn ). Dette er et enhetsløst tall, ofte gitt i prosent. Pout (50) η= Pinn Virkningsgraden η c , av en Carnot-maskin er definert som arbeidet utført i en syklus av Carnotmaskinen, dividert med varme tilført. Dette kan formuleres slik ηc = − Wrev R(Th − Tc )ln(V2 /V1 ) Th − Tc qh + qc = = = qh RTh ln(V2 /V1 ) Th qh (51) Teoretisk mengde arbeid som kan utføres av Carnot-maskinen er gitt ved w = qh − qc = 3.5 −w − qc η ⇔ −w = qc η 1−η (52) Endring i entropi for reversible og irreversible prosesser En irreversibel prosess er en spontan prosess som går naturlig (av seg selv). I en spontan prosess så vil den totale entropien øke. En reversibel prosess er balansert slik at den kan gå like godt i begge retninger, dette er i praksis umulig, men entropi er alltid definert i forhold til reversible prosesser. ∆Stotal > 0 ∆Stotal ) = 0 ∆Stotal ≥ 0 For en irreversibel prosess For en reversibel prosess For en hvilken som helst prosess Vi har også at ∆Stotal = 3.6 q η Tc c (53) Den termodynamiske grunnlikningen, Gibbs likning Termodynamikkens 1. lov for en reversibel prosess er dU = dqrev +dwrev , reversibel varme tilført et system kan knyttes til entropiendring på følgende måte dS = dqrev /T og trykk-volumarbeidet for en reversibel prosess kan uttrykkes ved systemets eget trykk ved dwrev = P dV . Ved å sette disse sammen får vi Gibbs likning dU = T dS − P dV 17 (54) 3.7 Beregning av endring i entropi for ulike reversible prosesser Konstant volum ∆S = Konstant trykk ∆S = ln T1 CV d(ln T ) R ln T2 CP d(ln T ) ∆S = nR ln VV12 = nR ln PP12 ∆S = nCV,m ln TT21 + nRln VV12 Konstant temperatur (ideell gass)1 Generelt for ideell gass 3.8 R ln T2 ln T1 Entropiendring ved faseoverganger Faseoverganger vil ofte være tilnærmet reversible. Dette gjør at vi har sammenhengen Z B ∆SA→B = A qrev qrev = T T (55) Vi har også at qrev = ∆tilstand H, og dette gir at ∆fus S = ∆fus H Tfus ∆vap S = ∆vap H Tvap ∆sub S = ∆sub H Tsub (56) Da ∆S er en tilstandslikning så har vi også at ∆sub S = ∆fus S + ∆vap S (57) Troutons regel. Fordampningsentropien ved normalkokepunktet er tilnærmet den samme for svært mange gasser, på ca. 88 J K−1 mol−1 . Dette er fordi gassentropien dominerer faseovergangen for mange stoffer. Væsker med mange hydrogenbindinger som vann og ammoniakk vil avvike fra dette med en høyere fordampningsentropi. 3.9 Entropiendring i blandingsprosesser ∆mix Sm = −R[x1 ln x1 + x2 ln x2 ] 3.10 Termodynamikkens 3. lov Entropien er null for en perfekt krystall ved 0 Kelvin. 1 Denne gjelder også for irreversible prosesser 18 (58) 4 4.1 Gibbs’ energi og kjemisk likevekt Kriterie for termodynamisk likevekt For at et system skal være i likevekt så må følgende krav være oppfylt dq syst − T syst dS syst = 0 4.2 (59) Gibbs’ energi, prosesser ved konstant trykk Gibbs’ energi gjelder for prosesser ved konstant trykk, og det er en tilstandsfunksjon ∆G = ∆H − T ∆S Ved konstant trykk og temperatur er For en irreversibel prosess ved konstant trykk er 4.3 (60) dG = 0 dG < 0 Standard Gibbs’ energier Slik som for dannelsesentalpier er det definert standardverdier for endring i Gibbs’ energi for reaksjoner, ∆f G◦ , under standardbetingelse (1 bar). ∆f G◦ er alltid 0 for grunnstoffer ved deres standardtilstand ved 25 ◦ C. X X ∆G◦ (reaksjon) = ∆f G◦ (prod.) − ∆f G◦ (reakt.) (61) −∆G◦ +∆G◦ 4.4 reaksjonen går spontant mot høyre reaksjonen går spontant mot venstre Helmholtz’ energi, prosesser ved konstant volum ∆A = ∆U − T ∆S Ved konstant volum og temperatur er For en irreversibel prosess ved konstant volum er 4.5 (62) dA = 0 dA < 0 Gibbs’ likning i et lukkede systemer Generelt får vi likningen dG = V dP − SdT (63) For en ideell gass i en isoterm prosess får vi Z ∆G = G2 − G1 = 2 Z P2 dG = 1 Z P2 V dP = P1 P1 19 P2 nRT dP = nRT ln P P1 (64) 4.6 Gibbs’ energi i en reell gass, fugasitet For en reell gass i en isoterm prosess må vi ta hensyn til at det virker frastøtningskrefter mellom molekylene. Dette blir representert av en funksjon kalt fugasiteten (f ). Fugasiteten øker jo høyere trykket er. Fugasiteten er definert slik at vi kan putte den direkte inn i likning 64, og den er derfor alltid lik trykket f2 (65) ∆G = nRT ln f1 Vi kan også uttrykke den molare og absolutte verdien for Gibbs’ energi ved et tilfeldig trykk for reelle gasser. Men her må vi benytte en standard fugasitet som vanligvis er f ◦ = 1 bar. f2 ◦ Gm = Gm + RT ln (66) P◦ For andre systemer enn gasser, f.eks. en løsning, benyttes ofte en størrelse kalt aktiviteten (a). For en reell gass er aktiviteten til en gass ved et bestemt trykk definert som a= 4.7 f P◦ (67) Maxwellrelasjonene Denne seksjonen forstås lettest etter å ha forstått vedlegg A. Det er totalt 8 tilstandsfunksjoner vi har beskrevet P, V, T, U, H, S, G og A. Alle disse kan beskrives som en funksjon av hverandre, f.eks. kan vi finne trykket når vi kjenner volum og temperatur P = P (V, T ). Ved å derivere disse sammenhengene kan vi finne ut hvordan en av funksjonene forandrer seg når de andre gjør det. Vi starter med å ta utgangspunkt i de fire energifunksjonene, uttrykt med de fire andre, og vi får da følgende sammenhenger Funksjon U (S, V ) H(S, P ) G(T, P ) A(T, V ) Totalt differensial dU = −P dV + T dS dH = V dP + T dS dG = V dP − SdT dA = −P dV − SdT Vi kan også partiellderivere hver av de ulike funksjonene til venstre i tabellen. F.eks. blir ∂U ∂U dU = dU (S, V ) = dS + dV (68) ∂S V ∂V S Ved å sammenlikne leddene i tabellen over og leddene i funksjonen vi får fra å partiellderivere alle de ulike funksjonene får vi følgende nye uttrykk for variablene P, T, V og S ∂U ∂A ∂U ∂H −P = = T = = (69) ∂V S ∂V T ∂S V ∂S P ∂G ∂A ∂H ∂G −S = = V = = (70) ∂T P ∂T V ∂P S ∂P T 20 Eulers teorem sier at hvis du dobbeltpartiellderiverer en homogen funksjon av to variable F (x, y), gjør det ikke noe hvilken rekkefølge du partiellderiverer med. Ved å benytte dette teoremet på likningene i tabellen og ved å benytte uttrykkene for P, T, V og S over, så får vi maxwellrelasjonene. Disse er som følger ∂P ∂S V s ∂T ∂V = ∂P s ∂S P ∂S ∂V =− ∂P T ∂T P ∂S ∂P = ∂V T ∂T V 4.8 ∂T ∂V =− (71) (72) (73) (74) Gibbs-Helmholtz’ likning Gibbs-Helmholtz’ likning kan brukes til å se hvilke nye verdier man får for ∆G og ∆H når en kjemisk reaksjon går ved en annen temperatur. Vi ser også at det er en differensiallikning ∆G ∆H ∂ =− 2 (75) ∂T T T P 4.9 Kjemisk potensial Vi har tidligere sett på Gibbs’ energi for en prosess i et lukket og reversibelt system, altså at den kun er avhengig av temperatur og trykk, altså funksjonen G(T, P ). Men hva gjør vi hvis vi ønsker å studere en prosess som ikke er lukket, men som f.eks. består av flere komponenter og som utveksler masse med omgivelsene? Her vil G også være avhengig av antall mol av hver av de ulike komponentene n1 , n2 , . . . , nk . Vi må altså heller se på funksjonen G(T, P, n1 , n2 , . . . , nk ). Ved å partiellderivere denne funksjonen får vi 2 dG = ∂G ∂T dT + P,ni ∂G ∂P dP + T,ni k X ∂G i=1 ∂ni dT (76) T,P,nj6=i Ved å benytte noen resultater fra utledningen av Maxwell relasjonene, se likning 69 og 70, får vi k X ∂G dT (77) dG = −SdT + V dP + ∂ni T,P,nj6=i i=1 Det siste leddet bruker vi til å definere den intensive størrelsen kjemisk potensial (µ) for komponent i ∂G µi = (78) ∂ni T,P,nj6=i 2 Subskript ni betyr at antall mol av komponent i holdes konstant, subskript nj6=i betyr at alle komponenter bortsett fra komponent i holdes konstant. 21 Vi får dermed følgende likning dG = −SdT + V dP + k X µi dT (79) i=1 Vi kan gjøre det tilsvarende for de andre tilstandsfunksjonene, og vi får da at ∂U ∂H ∂A ∂S ∂G µi = = = = = −T ∂ni T,P,nj6=i ∂ni S,V,nj6=i ∂ni S,P,nj6=i ∂ni T,V,nj6=i ∂ni U,V,nj6=i (80) Vi kan sette disse ulike uttrykkene inn i uttrykkene for dU, dH, dG og dA slik at de også gjelder for åpne systemer. Da får vi Gibbs’ likninger dU = −P dV + T dS + k X µi dni (81) i=1 dH = V dP + T dS + dG = V dP − SdT + k X µi dni (82) µi dni i=1 k X (83) i=1 k X dA = −P dV − SdT + µi dni (84) i=1 For et rent stoff gjelder sammenhengen µ = Gm . For et hvilket som helst rent stoff er molar Gibbs’ energi en funksjon av T og P , Gm = Gm (T, P ). Total Gibbs’ energi for det rene stoffet er antall mol ganger dette utrykket G = nGm (T, P ) Likning 85 kan deriveres med hensyn på antall mol og dermed fås sammenhengen ∂[nGm (T, P )] ∂G = = Gm (T, P ) µ= ∂n T,P ∂n T,P 4.10 (85) (86) Faselikevekter Ved likevekt er dG = 0. Gitt at vi har to faser (fase α og fase β) som er i likevekt betyr dette at dG = dGα + dGβ = 0 (87) Gitt at vi har konstant trykk og temperatur, og kombinerer dette med Gibbs’ likning for dG, likning 83, får vi k k X X dG = µαi dnαi + µαi dnβi = 0 (88) i=1 i=1 Hvis µαi > µβi , så vil komponent i strømme fra α til β. For en liten endring av systemet får vi derfor dG = µαi dnαi + µβi dnβi = 0 (89) Da antall mol som forlater fase α vil gå til fase β, vil dnβi = −dnαi . Dette gir at ved likevekt vil µαi = µβi 22 (90) 4.11 Gibbs energi og tilgjengelig arbeid La oss ta utgangspunkt i Gibbs likningen for dG dG = V dP − SdT + k X µi dni (91) i=1 Ved konstant trykk og temperatur reduseres denne til dG = k X µi dni (92) i=1 Her blir det altså ikke utført noe trykk-volum-arbeid, og det eneste arbeidet som blir utført er ved forflytning av masse. Vi definerer dette arbeidet som tilgjengelig arbeid (dwtil ) og får at dG = dwtil = k X µi dni (93) i=1 Dette arbeidet er for en reversibel prosess og da virkelige prosesser er irreversible representerer dette det maksimale arbeidet vi kan få ut av prosessen. 4.12 Kjemisk likevekt For en generell likevektsreaksjon med følgende støkiometri −− * aA + bB ) − − cC + dD (94) Sier massevirkningsloven at vi har K= [C]c [D]d [A]a [B]b (95) Klammene representerer et eller annet mål for komponentenes konsentrasjon. Dette kan f.eks. være partialtrykk for gasser. For å se på kjemiske likevekter kan det være svært nyttig å sette opp en tabell over forholdene ved start av reaksjonen og slutten av reaksjonen. La oss si at du starter med 1 mol av stoff A som omdannes til B og C. Du har ingenting av stoff B og C ved start. Hva er konsentrasjonen ved likevekt? Start Likevekt A 1 1−x B 0 x C 0 x Massebevaringsloven sier at vi vil ha like mye materiale på begge sider av reaksjonen. Alt av A som reagerer til B og C vil derfor gi like mye av B og C, det er dette jeg får konsentrasjonene ved likevekt fra. Vi kan så sette dette inn i likevektsuttrykket, se likning 95, og hvis vi har K kan vi løse for x. 23 4.13 Le Châteliers prinsipp Når et system med en innstilt dynamisk likevekt påvirkes utenfra, vil systemet endres slik at effekten av påvirkningen blir minst mulig. 4.14 Kjemisk likevekt i ideelle systemer For alle komponentene i = A, B, C og D definerer vi pui = pi /p◦ . En reaksjon sin endring i Gibbs energi er (pu )c (puD )d ∆G = ∆G◦ + RT ln Q der Q = C (96) (puA )a (puB )b Når systemet er i likevekt så har Q og K samme verdi, og vi får 0 = ∆G◦ + RT lnKp◦ der Kp◦ 4.15 ⇒ (puC )c (puD )d = (puA )a (puB )b ∆G = −RT lnKp◦ (97) (98) eq Kjemisk likevekt i reelle systemer Problemet med en reell gass er at uttrykket for kjemisk potensial ikke gjelder lenger. Vi kan likevell rette opp i problemet ved å se på fugasiteten til gassen i stedet for partialtrykket. Vi definerer ai = fi /P ◦ og får at µi = µ◦i + RT ln ai (99) Vi får altså at Kp◦ (aC )c (aD )d = (aA )a (aB )b (100) eq Når konsentrasjonsmålet er molfraksjon blir aktiviteten lik ai = γi xi (101) Hvis vi ser på en løsning er molal (mol/kg) et mulig konsentrasjonsmål. Her blir aktiviteten ai = γi mi /m◦ = γi mui 4.16 (102) Hess’ lov Dersom en totalreaksjon kan skrives som summen av flere delreaksjoner, er endringen i Gibbs’ energi for totalreaksjonen lik summen av endring i Gibbs’ energi for delreaksjonene. 24 4.17 Likevektskonstantens temperaturavhengighet ln Kp◦ = − ∆H ◦ ∆S ◦ + RT R (103) Husk at ∆H ◦ er temperaturavhengig, og over store temperaturintervall må vi ta hensyn til dette. For likevekter i vannløsninger får vi følgende uttrykk d ln KC◦ ∆U ◦ =− d(1/T ) R (104) Men da ∆H ◦ og ∆U ◦ er tilnærmet like i vannløsninger (da trykk-volum arbeidet er tilnærmet lik null), så kan også benytte likning 103 for de fleste praktiske formål. 4.18 Likevektskonstantens trykkavhengighet ln K = − ∆V ◦ P +C RT 25 (105) 5 5.1 Kapittel 5. Faselikevekter i rene stoffer Generelt om faser En fase er et stoff som har samme kjemiske sammensetning og fysiske tilstand overalt. Likevektskriterie for et tofasesystem er at kjemisk potensiale for stoffet er det samme i de to fasene (α og β), altså µ(α) = µ(β). Vi husker fra seksjon 4.9 at for et rent stoff er kjemisk potensiale det samme som molar Gibbs’ energi ∂G µ= = Gm (106) ∂n T,P 5.2 Fasediagrammer Det er mest vanlig for et fasediagram at linjen mellom fasene fast stoff og væske peker mot høyre, se figur 4. For enkelte stoffer, som f.eks. vann, peker denne linjen mot venstre fordi vannets hydrogenbindinger gjør at den faste fasen har lavere tetthet enn væskefasen. Figur 4: Til venstre er det et fasediagram for CO2 og til høyre er det et fasediagram for H2 O. 5.3 Damptrykk Når en væske (eller et fast stoff) plaseres i en lukket og evakuert beholder vil trykket som innstilles i beholderen ved likevekt være lik damptrykket for væsken (eller det faste stoffet) ved den aktuelle temperaturen. En måte å tenke seg hva damptrykk tilsvarer er å se for seg at du setter vann inn i et trykkammer ved 40 ◦ C. Det trykket du må senke trykket til for at vannet skal koke, her 0,07 atm, tilsvarer damptrykket til vann ved 40 ◦ C. 5.4 Clapeyrons likning Mellom to faser, α og β av et stoff i likevekt, vil endringen i Gibbs’ energi være den samme for de to fasene dGα = dGβ (107) Fra det totale differensialet til Gibbs’ energi (dG = V dP − SdT ) får vi Vα dP − Sα dT = Vβ dP − Sβ dT 26 (108) Som kan skrives om til Sα − Sβ dP ∆S = = dT Vα − Vβ ∆V (109) dP ∆Sm = dT ∆Vm (110) Per mol fås Clapeyrons likning Ved en faseovergang gjelder ∆Sm = ∆Hm /T , og vi får dP ∆Hm = dT T ∆Vm (111) Dette er Clapeyrons likning og den beskriver hvordan damptrykket endrer seg med temperaturen. Den er gyldig for alle overganger mellom to faser. 5.5 Clausis-Clapeyrons likning Ved moderate trykk er volumet til gassfasen mye større enn volumet til væsken eller gassen. Ved en slik faseovergang kan vi derfor anta at ∆vap = Vm,gass − Vm,væske ≈ Vm,gass ≈ RT P (112) Dermed endres Clapeyrons likning til Clausisus-Clapeyrons likning ∆vap Hm dP = P dT RT 2 (113) Ved å anta konstant endring i entalpi for det aktuelle temperaturintervallet kan vi løse denne differensiallikningen Z Z ∆vap Hm dT 1 dP = (114) P R T2 ∆vap Hm 1 ln P = − +C (115) R T Integrasjonskonstanten kan finnes ved standard trykk, der P = 1 og ln P = 0 ∆vap Sm ∆vap Hm 1 C= = R T R (116) Dermed får vi Clausius-Clapeyrons likning ∆vap Hm ln P = − R ∆vap Sm 1 + T R (117) Integrert mellom to tilstander blir likningen i stedet Z ∆vap Hm T2 dT 1 dP = R T2 P1 P T 1 ∆vap Hm 1 P2 1 ln = − P1 R T1 T2 Z P2 (118) (119) Denne likningen kan brukes til å finne fordampningsentalpien hvis fordampningstrykket er kjent ved to ulike temperaturer. 27 5.6 Høyere ordens faseoverganger i enkomponentsystemer Faseoverganger kan klassifiseres etter hvordan termodynamiske funksjoner endrer seg i faseovergangen. Dette kalles Ehrenfest klassifisering. Første ordens faseovergang er en faseovergang der Gibbs’ energi er kontinuerlig i selve faseovergangen,mens den deriverte av Gibbs’ energi mhp. temperaturen ikke er kontinuerlig. m Ettersom ∂G ∂ T p = −Sm , vil entropien ha et hopp når den tegnes som funksjon av temperaturen. Varmekapasiteten er også uendelig i faseovergangen da temperaturen brukes til å drive faseovergangen og ikke til å heve temperaturen. Andre ordens faseovergang er en faseovergang der den førstederiverte av Gibbs’ enerig mhp. temperaturen er kontinuerlig, mens den andrederiverte ikke er det. 5.7 Overflatespenning Det krever krefter å øke overflatearealet da overflatekreftene må motvirkes. Dette arbeidet er proporsjonalt med overflatearealet (A). Vi får dw = γdA (120) Der γ er definert som overflatespenning. 5.8 Termodynamikk for overflater Da en væskeoverflate kan betraktes som et åpent system vil en liten endring i indre energi for væskeoverflaten være uttrykt ved X dU = T dS − P dV + γdA + µi dni (121) Overflatespenning kan tolkes som endring i indre energi pr. arealenhet når S og V er konstant. Da Gibbs’ energi er definert som G = H − T S og H = U + P V så blir endring i Gibbs’ energi X dG = −SdT + V dP + γdA + µi dni (122) Altså kan overflatespenning tolkes som Gibbs’ energiendring pr. arealenhet når T og P er konstant. ∂G (123) γ= ∂A T,P,n 5.9 Kapillærkrefter Kontaktvinkelen (θ) er vinkelen mellom glassveggen og tangenten til væskeoverflaten der væskeoverflaten berører veggen. For vann er kontaktvinkelen tilnærmet lik null. Gitt den indre diameteren på røret r, høyden på væskesøylen h, tettheten til væsken ρ og gravitasjonskraften g har vi uttrykket γ= rhρg 2cosσ 28 (124) 5.10 Damptrykk for dråper (Kelvins likning) ln 2γM P = P◦ ρrRT (125) Av likningen kan vi se at en liten radius gir høyt damptrykk. Dette kan forklare hvorfor det er umulig å få til en kondensasjon av f.eks. vanndamp ved å komprimere dampen til vannets damptrykk. Når dampen komprimeres til damptrykket (P ◦ ) vil det først dannes små dråper. Men disse dråpene har et damptrykk som er mye høyere enn P ◦ , og vil derfor fordampe igjen. For at kondensasjonen skal komme i gang må dampen komprimeres til et trykk betydelig høyere enn damptrykket P ◦ for at kondensasjonen skal skje. Dette gjelder kun for ren dampfase. I luft vil kondensasjonen skje ved mye lavere temperatur enn damptrykket pga. vannmolekylene fester seg til støvpartikler. 29 6 Kapittel 6. Faselikevekter i løsninger og blandinger En løsning er et stoff som i utgangspunktet befinner seg i en annen aggregattilstand løses i en væskefase i relativt lav konsentrasjon. En blanding er to væsker som er blandet sammen. I en ideell blanding vil kreftene mellom komponent A og A og mellom B og B være lik kreftene mellom A og B. 6.1 Raoults lov Raoults lov sier at i en ideell løsning av to komponenter, A og B, er trykket av en komponent, f.eks. PA , gitt ved PA = xA PA∗ (126) der PA∗ er trykket til den rene kompnenten. 6.2 Henrys lov Mengden gass oppløst i en væske er proporsjonal med gassens trykk over væsken gitt at temperaturen er konstant. Ulike versjoner av likningen kan sees under der mg er gassens molalitet i løsningen, Pg er gassens partialtrykk og kH er Henrys konstant. mg = kH Pg 6.3 ⇔ 0 Pg = kH mg ⇔ 00 Pg = kH xg (127) Alternativ måte å forstå Raoults og Henrys lov på En annen måte å forstå Henrys og Raoults lov på er ved å se på Raoults lov som en tilnærming til idealitet når molfraksjonen til en komponent, xi , går mot én, mens Henrys lov blir tilnærmingen til idealitet når molfraksjonene til en komponent går mot null P = P∗ x1 →1 x1 P lim = kH x1 →0 x1 Raoults Lov: lim Henrys Lov: 6.4 (128) (129) Daltons lov Daltons lov sier at partialtrykket av en komponent, A, er lik komponentens molfraksjon i gassfasen, yA , dividert på totaltrykket. Dette kan uttrykkes som P A = yA P 6.5 ⇔ yA = PA P (130) Diagrammer for binære systemer I figur 5 kan det sees et damptrykksdiagram for en reell væskeblanding. Boblepunktslinjen er gitt ved likning 131 og duggpunktslinjen er gitt ved likning 132 som begge er utledet fra Raoults lov og Daltons lov. P =PB∗ + (PA∗ − PB∗ ) xA PA∗ PB∗ P = ∗ PA + (PB∗ − PA∗ ) yA 30 (131) (132) Ved hjelp av Clausius-Clapeyrons likning kan temperaturen beregnes i fra trykket. Det resulterende plottet kan også sees i figur 5. Figur 5: Til venstre er et damptrykksdiagram for en ideell væskeblanding og til høyre er et kokepunktsdiagram for en ideell væskeblanding. En reell blanding vil avvike fra disse diagrammene. Hvis tiltrekningskreftene mellom A og B er mindre enn kreftene mellom A og A og B og B vil damptrykket være større enn i det ideelle tilfellet, og motsatt. Ved store avvik fra idealitet vil duggpunktslinjen og boblepunktslinjen krysse hverandre. Det vil da være umulig å skille de to væskene fullstendig med destilasjon og vi sier at blandingen er azeotropisk. Grunnen til at en blanding er azeotrop kan forklares på mikroskopisk nivå med at den komponenten med sterkest bindinger mellom sine egne molekyler blir så fortynnet at den ikke interagerer med like molekyler lengre. Da vil alle molekylene interagere like mye og blandingen er azeotrop. 6.6 Vektstangregelen Vektstangregelen forteller hvordan antall mol i gassfasen og i væskefasen forandrer seg i en ideell blanding med to komponenter ved endring i sammensetning i blandingen. Denne er uttrykt som følger xA,tot − yA nl = (133) ng xA − xA,tot 6.7 Partielle molare størrelser En partiell molar størrelse beskriver hvordan en ekstensiv størrelse i en løsning eller blanding endrer seg med den molare sammensetningen når alle øvrige variable holdes konstante. De kan beskrives matematisk som den partiellderiverte med hensyn på antall mol, her vist for volumet: ∂V VA = (134) ∂ni T,P,n6=j Disse størrelsene kan beskrives for alle ekstensive størrelser, G, H, U, S, og A. I en blanding vil de partielle molare størrelsene kun avvike fra rene komponenter i ikke-ideelle blandinger. Disse størrelsene er spesielt nyttige i åpne systemer. 31 Den partielle molare størrelsen som er lettest å forstå og studere er partielt molart volum. Partielt molart volum av komponent 1 kan finnes som stigningstallet til en kurve for totaltvolumet av en blanding som en funksjon av antall mol komponent 1 i blandingen. 6.8 Gibbs-Duhems likning Det totale volumet i en løsning er avhengig av trykk, temperatur og antall mol av de ulike komponentene i blandingen, altså V = V (P, T, n1 , n2 , n3 , . . .) (135) dV = V1 dn1 + V2 dn2 + . . . (136) Altså kan dV skrives som Ved å tilsette en liten og konstant mengde av hver av komponentene til et sluttvolum V vil sammensetningen av blandingen hele tiden holdes konstant. Da er de partielle molare volumene konstante og vi får at Z n2 Z n1 Z V + . . . ⇔ V = n1 V1 + n2 V2 + . . . (137) dn1 + V2 dV = V1 0 0 0 Da alle disse leddene er tilstandsfunksjoner, må det være likegyldig hvordan komponentene blir tilsatt og det totalte differensialet av likningen blir dV = n1 dV1 + n2 dV2 + . . . + V1 dn1 + V2 dn2 + . . . (138) Likning 138 trukket fra likning 136 gir Gibbs-Duhems likning for partielle molare volum. Denne er uttrykt under sammen med en versjon hvor det er delt på totalt antall mol i blandingen n1 dV1 + n2 dV2 + . . . = 0 x1 dV1 + x2 dV2 + . . . = 0 (139) Gibbs-Duhems likning kan på liknende måte skrives for alle partielle molare størrelser. Disse likningene forteller oss at en når partiell molar verdi for en komponent øker må de andre tilsvarende partielle molare verdiene synke. Sammenhengen mellom de ulike termodynamiske størrelsene er også gyldige for partielle molare størrelser. Dette betyr at Hi = Ui + P Vi 6.9 og Gi = Hi − T Si (140) Raoults lov standardtilstand Kjemisk potensial til komponent i i en gass-væskelikevekt er gitt ved likningen Pi ∗ µi,væske = µi,væske + RT ln Pi∗ (141) Ved å anta at gassfasen oppfører seg ideelt kan vi definere aktiviteten til væskefasen på følgende måte Pi ai,gass = og ai,væske = xi γi (142) Pi∗ og likning 141 kan dermed skrives om til µi,væske = µ∗i,væske + RT ln ai (143) Når en komponent foreligger i stort overskudd vil Raoults lov gjelde og vi kan skrive µi,væske = µ∗i,væske + RT ln xi (144) Denne likningen brukes også som den termodynamiske definisjonen på en ideell blanding eller løsning. En ideell blanding vil følge denne likningen for alle sammensetninger. 32 6.10 Henrys lov standardtilstand På liknende måte kan Henrys lov (som er mer hensiktsmessig for oppløste stoffer) brukes om standardtilstand. Her blir Henrys lov, mi = kH Pi satt inn i en likning brukt i utledning av 141, og vi får følgende likning Pi ◦ ◦ (145) µi,væske = µi,væske + RT ln kH Dette kan brukes til å bestemme aktiviteten til løsningsmiddelet µi = µ◦i + RT ln ai der ai,gass = Pi kH (146) og ai,væske = mi γi (147) For ideelle løsninger blir kjemisk potensial ◦ µid i = µi + RT ln mi (148) Da Henrys lov gjelder for oppløste stoffer bare fortynningen blir stor nok benyttes uendelig fortynning av løst stoff som standardtilstand. Når vi går mot uendelig fortynning vil aktiviteten av det oppløste stoffet bli molaliteten og aktivitetskoeffisienten går mot 1. Dette kan uttrykkes som γoppløst stoff → 1 når moppløst stoff → 0 (149) Ved å kombinere likning 146 og 148 fås følgende likning µi − µid i = RT ln γi (150) Dette betyr at hvis aktiviteten er større enn 1 vil kjemisk potensial for komponenten i den reelle blandingen være høyere enn i en ideell blanding og motsatt. 6.11 Ideelle blandinger For en ideell blanding vil endring i volum, indre energi og i entalpi være lik null. Endring i entropi vil være den samme som for en ideell gass, altså X ∆mix sid = −R xi ln xi (151) m i Endring i Gibbs’ energi vil være gitt ved (fordi endring i entalpi er null) X id id ∆mix Gid = ∆ H − T (∆ S ) = RT xi ln xi mix mix m m m (152) i Endring i Gibbs’ energi vil alltid være negativ da molfraksjonene er et tall mellom null og en. Endring i Gibbs’ energi kan også uttrykkes på følgende måter (som også gjelder for reelle blandinger) X X X X X ∆mix G = G − G∗ = ni (Gi − G∗i,m ) = n i Gi − ni G∗i,m = ni µ i − ni µ∗i (153) i i i 33 i i 6.12 Termodynamiske eksessfunksjoner For å beskrive avviket fra idealitet for en termodynamisk funksjon benyttes termodynamiske eksessfunksjoner. For Gibbs’ energi blir denne (defineres liknende for de andre) GE = G − Gid (154) Gibbs’ energi i det ideelle og reelle tilfellet er gitt ved X X G= ni µ i = ni (µ◦i + RT ln ai ) i Gid = X i (155) i ni µ i = X ni (µ◦i + RT ln xi ) (156) i Og dermed kan eksessfunksjonen uttrykkes som X X X GE = G − Gid = ni RT ln ai − ni RT ln xi = ni RT ln γi i 6.13 i (157) i Kolligative egenskaper Med kolligative egenskaper menes egenskaper som kun avhenger av antall molekyler og/eller antall ioner av et oppløst stoff, og ikke hvilket stoff som er oppløst. Det er fire kolligative egenskaper: damptrykksreduksjon, frysepunktnedsettelse, kokepunktforhøyelse og osmotisk trykk. 6.14 Damptrykksreduksjon Frysepunktnedsettelse, kokepunktforhøyelse og osmotisk trykk skyldes at damptrykket endres for en væske når et stoff løses i væsken. Damptrykksnedsettelse kan forklares ved at når et stoff løses i en væske vil vannmolekylene ha en større uorden i væsken enn det de vil ellers. Det vil si at flere av dem vil oppholde seg i væskefasen og damptrykket blir mindre. 6.15 Frysepunktnedsettelse og kokepunktforhøyelse Frysepunktet vil bli lavere fordi det er mer uorden i væsken som må overkommes før den fryser. I tillegg vil det kokepunktet øke fordi det er mer uorden i væsken som må overkommes før det dannes gass. Det antas her at det oppløste stoffet kun befinner seg i væskefasen og at løsningen er ideell. En reduksjon i damptrykk vil bety at kjemisk potensial for væskefasen reduseres. Løsningsmiddelet er komponent 1 og oppløst stoff er komponent 2. Vi får likningen µvæske − µ1∗,væske = RT ln x1 1 (158) Da molfraksjon alltid er mellom 0 og 1 vil kjemisk potensiale senkes for en væskefase når et stoff løses opp i det. Kjemisk potensial for gassfase og fast fase vil forbli uendret da vi har antatt at oppløst stoff kun finnes i væskefasen. Frysepunktnedsettelsen vil være mindre enn kokepunktforhøyelsen. Dette er fordi entropiendringen i overgang fra væske til fast stoff er mindre enn fra væske til gass. 34 Ved å anta at konsentrasjonen av den oppløste stoffet er liten og at endring i frysepunkt er liten kan endring i frysepunkt beregnes med følgende likning ∆fus T = ∗ )2 R(Tfp ∆fus Hm · x2 (159) Denne likningen kan også uttrykkes med molalitet da x2 = m2 · M1 ∆fus T = ∗ )2 M1 R(Tfp ∆fus Hm · m2 = Kf m2 (160) Her er Kf den kryoskopiske konstanten som brukes for å vise sammenheng mellom frysepunktnedsettelse og molalitet. Likning for kokepunktforhøyelse kan utledes på samme måte som for frysepunktnedsettelse og har følgende likning ∆vap T = ∗ )2 R(Tkp ∆vap Hm · x2 = ∗ )2 M1 R(Tkp ∆vap Hm · m2 = Kb m2 (161) Konstanten Kb kalles ebullioskopisk konstant. 6.16 Osmotisk trykk - van’t Hoffs likning Osmotisk trykk betegnes med Π. Ved å anta at væsken ikke komprimeres ved den moderate trykkøkningen fra osmotisk trykk fås følgende likning for sammenheng mellom osmotisk trykk og løsningens sammensetning V1∗ Π + RT ln x1 = 0 (162) Ved å anta at konsentrasjonen av det oppløste stoffer, x2 , er lav kan vi sette ln (x1 ) = ln(1−x2) ≈ −x2 og denne likningen forenkles til Π= RT n2 = RT n − 1V1∗ (163) Da konsentrasjonen av x2 er lav kan også n1 V1 forenkles til Π= RT n2 = c2 RT V (164) Dette er van’t Hoffs likning. Den forutsetter ideell løsning. c2 står for konsentrasjonen av antall partikler, uansett type. Måling av osmotisk trykk kan brukes til å bestemme molvekt for makromolekyler som har molvekt over 10 000 g/mol. For å gjøre dette reduseres van’t Hoffs likning til virialutviklingen på formen Π = c2 RT (1 + Bc2 + Cc2 + . . .) (165) Van’t Hoffs likning har dessuten samme form som ideell gasslov. 35 6.17 Gibbs’ faseregel Faseregelen angir antall frihetsgrader for et system i en gitt tilstand. Antall frihetsgrader er det antallet intensive variabler som kan varieres uavhengig, uten at antall faser endres. Faseregelen kan også defineres som antallet intensive variabler som må være kjent for at et system ved likevekt skal være fullstendig beskrevet. Ved 25 ◦ C og 1 atm består vann kun av én væskefase og både trykk og temperatur kan forandres uten at antall faser forandres, den har derfor to frihetsgrader. Ved 100 ◦ C og 1 atm blir antall frihetsgrader lik 1. Faseregelen kan formuleres som f =c−p+2 (166) Der c er antall komponenter, p er antall faser og 2 representerer trykk og temperatur. c er gitt ved antall spesier, s, minus antall kjente sammenhenger, l, altså c = s − l. 6.18 Eutektiske blandinger En eutektisk blanding er en blanding hvor én enkelt sammensetning har direkte overgang mellom faste faser og en homogen flytende fase ved en lavere temperatur enn noen annen. Denne sammensetningen kalles den eutektiske sammensetningen og temperaturen kalles eutektisk temperatur. Punktet hvor linjene for eutektisk sammensetning og temperatur møtes kalles eutektisk punkt. Det følger at en eutektisk blanding har sin eutektiske temperatur som sin laveste smeltetemperatur når sammensetningen er eutektisk. 36 9 Kapittel 9. Elektrolyttløsninger Elektrolyttløsninger er løsninger som leder elektrisk strøm. De oppløste stoffene som gir elektrolyttløsninger kalles elektrolytter. 9.1 Noen grunnleggende elektriske størrelser Permittivitet kan forstås som en evne til å lagre ladning. Denne defineres som forholdet mellom elektrisk flukstetthet (D) og feltstyrke (E) og har benevning C V−1 , m−1 eller C2 J−1 m−1 . Elektrisk feltstyrke er kraft per enhetsladning i et punkt og er en vektorstørrelse. Absoluttverdien av den elektiske feltstykken som partikkel 1 opplever er E= Q2 F = Q1 4π0 r r2 (167) Elektrisk feltstyrke har benevning N C−1 eller V m−1 . Elektrisk potensial er et mål på den potensielle energien som ligger i et elektrisk felt og er en skalarstørrelse. Sammenhengen mellom elektrisk feltstyrke og elektrisk potensial (φ) er E=− dφ dr (168) Enheten er vanligvis J C−1 , altså V. Nullpunktet defineres vanligvis som når de to partiklene er uendelig langt fra hverandre. Elektrisk potensial måles i V og uttrykket for elektrisk potensial finnes ved å integrere likning 168 fra ∞ til r Z r Z r Q2 Q2 φ=− Edr = − = (169) 2 4 π0 r r ∞ ∞ 4π0 r r 9.2 Coulombs lov mellom to ladede partikler vil det virke frastøtnings- eller tiltrekningskrefter. Absoluttverdien av denne kraften, F , kan beregnes med Coloumbs lov F = Q1 Q2 4π0 r r2 (170) Konstanten 0 er permittivitet i vakum og er lik 8,854 ·10−12 C2 J−1 m−1 . Størrelsen r er relativ permittivitet for det medium partiklene befinner seg i. Denne er ubenevnt og lik forholdet mellom permittitivet for mediet og 0 , r = /0 . Vann ved 25 ◦ C har r = 78, det betyr at kraften mellom to ioner i vann blir 1/78 av det den ville vært i vakum. 9.3 Ledningsevne for elektrolyttløsninger Sterke elektrolytter foreligger kun som ioner i vann. Svake elektrolytter foreligger bare delvis som ioner i løsningen. Konduktans eller elektrisk ledningsevne for en elektrolyttløsning er et mål på hvor godt løsningen leder elektrisk strøm. Konduktans, G, er den inverse av elektrisk motstand, R G= 37 1 R (171) For en elektrisk leder er motstanden gitt ved R=ρ l A (172) der l er lengden, A er tverrsnittarealet og ρ er elektrisk resistivitet. Konduktiviteten for en leder blir dermed G = R−1 = ρ−1 A A =κ l l (173) Konduktiviteten for en ukjent elektrolyttløsning i en beholder må måles. Dette gjør man ved å kalibrere den mot en elektrolyttløsning med kjent konduktivitet, κ∗ . Cellekonstanten, Kcelle kan beregnes etter uttrykket l κ∗ Kcelle = (174) = ∗ =κ·R A G For en ukjent løsning kan den kalibrerte beholderen benyttes for å måle motstanden i løsningen og konduktiviteten beregnes etter Kcelle κ= (175) R Fordi konduktiviteten avhenger av konsentrasjonen i løsningen kan den ikke benyttes til å sammenlikne elektrolyttløsninger. Her benytter man molar konduktivitet i stedet Λm = κ c (176) Denne størrelsen er likevell ikke helt uavhengig av konsentrasjonen. For svake elektrolytter vil ikke alle ionene dissosiere fra hverandre og for sterke ioner vil ionene interagere og påvirke hverandre. Generelt vil Λm gå ned med økt konsentrasjon. For sterke elektrolytter bruker vi molar konduktans ved uendelig fortynning som standard, Λ◦m . 9.4 Svake elektrolytter Den svake syren HA vil følge likevekten + − −− HA ) −* −H +A (177) som har en dissosiasjonsgrad α definert i forhold til totalkonsentrasjonen [HA]0 [A− ]−α[HA]0 [H+ ]−α[HA]0 [HA] = (1 − α)[HA]0 (178) (179) I tillegg er α= Λm Λ◦m (180) og konduktansen vil da være gitt ved Ostwalds fortynningslov 1 1 Λm [HA]0 = ◦ + ◦ 2 Λm Λm (Λm ) Ka (181) Dette uttrykket kan brukes til å finne standard molar konduktans for en svak elektrolytt. 38 9.5 Van’t Hoffs i-faktor Osmotisk trykk for en elektrolyttløsning er alltid høyere enn for andre løsninger. Likningen for osmotisk trykk kan modifiseres ved å legge til en i-faktor for å ta høyde for dette Π = i[HA]0 R T (182) For sterke elektrolytter er i omtrent lik antall ioner som dannes fra et molekyl av elektrolytten. For svake elektrolytter er i avhengig av dissosiasjonsgraden. Gitt at antall ioner i likevektsuttrykket er lik ω, og dissosiasjonsgraden er lik α vil i bli lik i = 1 − α + ωα (183) Dette gir også et nytt uttrykk for dissosiasjonsgraden α= 9.6 i−1 ω−1 (184) Sterke elektrolytter Molar konduktivitet for en sterk elektrolyttløsning øker ikke med økende konsentrasjon Grunnen til dette er at det virker tiltrekningskrefter mellom motsatte ladde ioner i en elektrolyttløsning. Disse kreftene reduserer ionenes evne til å bevege seg og dermed også konduktiviteten. Dette kan forklares med to effekter Relaksjonseffekten. Rundt et positivt ladet ion vil det klumpe seg negative ioner. Når en elektrisk spenning settes over en løsning må dette positive ionet presse seg gjennom negative ioner. elektroforese-effekten er at de negative ionene blir trukket av det positive mot den positive elektroden. Relaksjons- og elektroforese-effekten blir kvantisert i Debye-Hückel-Onsagers likning √ Λm = Λ◦m − (P + Q · Λ◦m ) c (185) der P og Q er konstanter som kommer fra betrakninger av relaksjons- og elektroforeseeffekter. c er totalkonsentrasjonen av elektrolytt. 9.7 Ohms lov Ohms lov, I er strømstyrke I=− 9.8 ∆φ R (186) Kohlrauschs lov Kohlrauschs lov gjelder for sterke elektrolytter og er som følger √ Λm = Λ◦m − k c (187) der k er en proporsjonalitetskonstant og c er konsentrasjonen. Standard molar konduktans kan også uttrykkes som summen av hvert ions bidrag Λ◦m = v+ λ◦+ + v− λ◦− Dette kalles loven om uavhengige ioner og den gjelder ved uendelig fortynning. 39 (188) 9.9 Ionemobilitet Ulike ioner beveger seg i ulik grad i en løsning. Dette er fordi ulik størrelse og ulik ladning påvirker mobiliteten. Generelt kan molar konduktivitet for kationer og anioner uttrykkes som λ+ = z+ F u+ og λ− = z− F u− (189) der u er mobiliteten til ionet. 9.10 Transporttall for ioner Transporttall, t, er andel av elektrisk strøm transportert av ionet. t+ = v+ λ + I+ = I Λm og t− = I− v− λ− = I Λm (190) i tillegg er t+ + t− = 1 9.11 (191) Hydratiserte ioner De polare vannmolekylene vil legge seg inntil ionene og omkranse dem. Dette kalles hydratiserte ioner og dette gir en tilsvarende effekt lik økt konsentrasjon av elektrolytten. I en NaCl løsning har man funnet ut at hver Na+ bærer 4 vannmolekyler mens hvert Cl− bærer 2. 1 mol NaCl gjør derfor beslag på 6 mol vann. 9.12 Debye-Hückels grenselov √ log γ± = −|z+ |z− |A I (192) For vann er A=0,509 Denne gjelder bare for lave konsentrasjoner. Ved høye konsentrasjoner må man ta hensyn til at ionene har utstrekning fordi det er grenser på hvor nært ionene kan komme hverandre. Dette er gjort i Debye-Hückels utvidede grenselov √ |z+ |z− |A I √ log γ± = − (193) 1+B I Her er B et mål på hvor nært ionene kan komme hverandre. Ved lave konsentrasjoner dominerer tiltrekningskreftene mellom ionene. Dette fører til at en saltløsning ved lav konsentrasjon vil gi større løselighet ved tilsetting av mer salt. Dette kalles innsalting. Ved høye konsentrasjoner dominerer frastøtningskrefter mellom ionene. Dette fører til at en saltløsning får redusert sin løselighet når mer salt tilsettes. Dersom det er flere salter i løsningen kan tilsats av et salt føre til utfelling av et annet. Dette kalles utsalting. 40 10 Kapittel 10. Elektrokjemi En galvansk celle er et slags batteri der en spontan kjemisk reaksjon utnyttes til å fremskaffe elektrisk strøm. I en elektrolysecelle brukes elektrisk energi til å drive en kjemisk reaksjon som ikke går spontant av seg selv. Elektrisitetsmengde, Q, er gitt ved Q=I ·t (194) Faradays konstant knytter sammen strøm og mol. Den er lik ladningen til et mol elektroner F = NA · e = 96485C mol−1 (195) Ladningen, Qi , på ni mol av spesie i, der zi er ladningsnummeret og F er faradays konstant, blir Qi = zi F ni (196) 1 V kan sees på som energiforskjellen for en ladning på 1 C som går gjennom en ledning når spenningsfallet over ledningen er 1 V. Et batteri defineres som en eller flere seriekoblede galvaniske celler for produksjon av elektrisk strøm. I en brenselscelle hopper man over forbrenningsdelen av reaksjonen og benytter elektronoverføringen til å produsere elektrisk energi direkte. Denne kan ikke betraktes som et batteri, men som en energiomformer. 10.1 Termodynamikk for en elektrokjemisk celle En prosess hvor det kan antas at strømstyrken er uendelig liten kan sees på som en reversibel prosess. Det elektrokjemiske potensialet for ionet j kan defineres til µj = µj + zj F φ 10.2 (197) Elektrokjemisk likevekt Varmemengde er lik produktet av strømstyrke, spenning og tid 10.3 q=IV t (198) ∆G = −z F E (199) Nernst likning Kombinert med likning 97 fås sammenhengen RT E◦ = ln K ◦ zF I tillegg har vi Nernst likning RT E = E◦ − ln Q zF Når likevekt er nådd er Q lik K og cellespenningen er lik 0 V. 41 (200) (201) 10.4 Konsentrasjonsceller I konsentrasjonsceller er det bare én type elektroder og én type elektrolyttløsninger. Her kommer forskjellen i elektrisk potensial fra ulik konsentrasjon av stoffene. 10.5 Elektromotorisk kraft (emf ) Elektromotorisk kraft er den spenningen som må tilføres en celle slik at cellereaksjonen stopper. Denne verdien kan derfor finnes fra E i likning 199. Merk at denne kan være forskjellig fra spenningsfallet over polene på en galvanisk celle. Dette kan være pga. prosesser som foregår ved cellene. 10.6 Væskekontaktpotensial En væskekontakt er kontakten mellom de to halvcellene i en elektrokjemisk celle. Potensialet over cellen vil påvirkes av denne da transporttallet mellom denne kontakten varierer og dette uttrykkes i det som kalles et væskekontaktpotensial. Det er vanlig å dele opp emf for en celle med væskekontakt i bidrag til emf fra elektrodeprosessen (EN ) pluss bidrag til emf fra væskekontakten (EJ ) E = EN + EJ (202) Gitt totalreaksjonen H+ (m2 ) → H+ (m1 ) blir EN RT =− ln F EJ =E − EN ! RT [γ± (1)] · mu1 =− ln F [γ± (2)] · mu2 [γ± (1)] · mu1 RT ln = (t+ − t− ) F [γ± (2)] · mu2 aH+ (m1 ) aH+ (m2 ) (203) (204) Vi kan se at væskekontaktpotensialet blir lavt når forskjellen i mobilitet for anioner og kationer blir liten (t+ ≈ t− ). Når væskekontakten er en membran eller en porøs plate vil forskjellen i mobilitet mellom anioner og kationer bli betydelig og gi et væskekontaktpotensial som ikke kan neglisjeres. Dersom saltbroen består av to kontakter med elektrolyttløsningen, får de to væskekontaktpotensialene motsatt fortegn slik at de delvis oppveier hverandre. 42 A Partiellderivering og totalt differensiale Det er lett å derivere en likning når det kun er én variabel som varierer i en likning. Det er slik derivering vi er vant med fra tidligere. Et eksempel på en slik likning er f (x) = x2 som kun er avhengig av én variabel, x. Problemet i termodynamikken er at vi ofte har likninger som beskrives med flere variable. Et eksempel på en slik funksjon vil være f (x, y) = x2 y 2 . Her vil verdien til funksjonen f variere både med verdien til x og verdien til y. Vi må ta hensyn til både x og y når vi deriverer funksjonen. En måte å løse dette på er å anse alle andre variabler enn én for konstante. I tilfellet med funksjonen f over kan vi derivere funksjonen med hensyn på y, mens vi holder x konstant. I såfall blir dette helt likt derivering slik vi er vant til, se likning 205. Ikke bli skremt av notasjonen! Se figur 6 for forklart notasjon. ∂f ∂y = x2 · 2y (205) x En slik måte å derivere på kalles for partiellderivasjon. For enhver funksjon som er påvirket av flere variable finnes det mange partiellderiverte. Problemet er at hvis vi ønsker å se på den totale endringen i f (x, y) kan vi ikke anta at noen av variablene er konstante. Det finnes likevell en utvei. Vi kan nemlig derivere funksjonen mange ganger, hvor vi hver gang antar at alle variablene som påvirker funksjonen er konstante, bortsett fra én. Vi kan så summere disse deriverte. Funksjonen vi da får vil gi oss den totale endringen i funksjonen, og vi kaller denne nye funksjonen for det totale differensialet til funksjonen. I eksempelet med funksjonen f vil dette tilsvare ∂f ∂f dy + dx = x2 · 2y + 2x · y 2 (206) df (x, y) = ∂y x ∂y y Mer formelt sier vi at det totale differensialet til en funksjon f , som er gitt ved flere variabler (f.eks. x, y, og z), er lik summen av alle de mulige partiell deriverte av f hvor hver av de ulike variablene blir tillatt å variere etter tur. Figur 6: Forklaring av notasjonen i partiellderivering. A.1 Sjekk for om det er et totalt differensial I mange tilfeller står vi der med en likning som likning 207 og lurer på om det er et totalt differensiale. 2yx2 dy + 2xy 2 dx (207) For å finne ut om det er et totalt differensiale kan vi bruke en egenskap ved partiell deriverte til en funksjon. Det er nemlig slik at hvis vi partiellderiverer en funksjon to ganger, f.eks. først med hensyn på x og så med hensyn på y, så har det ikke noe å si hvilken rekkefølge vi deriverer funksjonen med. Å først derivere funksjonen med hensyn på x, også med hensyn på 43 y, er akkuratt det samme som først å derivere funksjonen med hensyn på y og så med hensyn på x. I tilfellet med likning 207 så er det første leddet 2yx2 allerede derivert med hensyn på y (dette ser vi av tegnet dy,) så vi deriverer det med hensyn på x: ∂2yx2 = 4yx (208) ∂x y Det andre leddet 2xy 2 er allerede derivert med hensyn på x, vi deriverer det med hensyn på y: ∂2xy 2 = 4yx (209) ∂y x Vi ser altså at vi får samme svar! Da rekkefølgen på derivasjonen ikke har noe å si, betyr dette altså at de to funksjonene 2yx2 dy og 2yx2 dx må være partiellderiverte fra den samme funksjonen. Da funksjonen også kun er avhengig av de variablene vi har undersøkt x og y, så kan vi konkludere med at funksjonen er et totalt differensiale. Hvis vi hadde hatt en funksjon med tre variable, f.eks. likning 210, og skall finne ut om dette er et totalt differensialet, må vi gjøre akkurat det samme. Forskjellen er bare at vi må teste enda en en likhet. 2yx2 z 2 dy + y 2 2xz 2 dx + y 2 x2 2zdz (210) I tilfellet med likning 210 kan vi da altså sjekke om følgende likheter er oppfylt: 2 2 2 ∂2yx2 z 2 ∂y 2xz 2 ∂2yx2 z 2 ∂y x 2z = = ∂x ∂y ∂z ∂y yz xz yx xz 4yxz 2 = 4yxz 2 4yx2 z = 4yx2 z (211) (212) Vi har likhet, og altså er likning 210 et totalt differensiale. A.2 Hvordan finner vi funksjonen til det totale differensialet?2 Hvis vi har funnet ut at vi faktisk har et totalt differensial er første steg å integrere en av de partiellderiverte med hensyn på den aktuelle variabelen. Da får vi et utrykk pluss en konstant, som vist i ligning 213. Z A(x, y, z)dx = P (x, y, z) + Q (213) Konstanten Q trenger ikke å være konstant, men kan variere med y og z. A(x, y, z) er allerede derivert med hensyn på x, og alle ledd som ikke inneholder x, men for eksempel y 2 z 3 har forsvunnet, men vil komme tilbake gjennom konstanten Q når man integrerer. Derfor bør man skrive ligning 213 som ligning 214. Z A(x, y, z)dx = P (x, y, z) + Q(y, z) (214) Når man skal finne Q(y, z) er det to forskjellige fremgangsmåter som kan brukes. Man kan for eksempel derivere integralet man har funnet med hensyn på y og sammenligne med B(x, y, z), samt derivere integralet med hensyn på z og sammenligne med C(x, y, z). Man kan også integrere opp B(x, y, z) og C(x, y, z) og sammenligne for å finne konstantleddene. 2 Dette er skamløst stjålet fra Øivind Wilhelmsen 44 A.3 Kort om Δ, d og ∂ De ulike d’ene du støter på i termodynamikken betegner alle endring i en eller annen variabel. Likevell har de alle ulik betydning, og det er derfor viktig at du ikke bytter om på dem uten å vite hva du gjør! Δ betegner forskjellen mellom i starttilstand og sluttilstand for en variabel. Her er det kun starttilstanden og sluttilstanden du tar hensyn til, hvordan du kom deg fra starttilstanden til sluttilstanden har ingenting å si. En variabel vi kan sette Δ foran kaller vi en tilstandsvariabel. Gitt en variabel X får vi altså at ∆X = Xslutt − Xstart (215) d brukes som oftest om en infinitesimal endring i en variabel. Infinitesimal endring betyr at endringen er svært liten, faktisk uendelig liten. Det er denne d’en vi benytter når vi integrerer. Grunnen til at denne d’en blir benyttet mye i termodynamikken er at vi ofte kan anta svært små endringer i et system er reversible. ∂ brukes når vi snakker om partiellderivering. Dette er en liknende oppdeling av variablene i infinitesimale biter som når vi bruker d, men forskjellen er at variabelen nå er påvirket av flere enn én annen variabel. Dette løser vi ved å holde alle, bortsett fra én, variabel konstant mens vi deriverer. 45 B De viktigste formlene Kollisjonstall ZAB √ πr2 (uA 2 uB 2 )1/2 NA NB = AB V2 ZA = 2πd2A uA NA V Midlere fri veilengde λA = uA V =√ zA 2πd2A NA Ideell gasslov. Antar at gassmolekylene ikke har utstrekning, at det ikke virker krefter mellom dem og at de er kontinuerlig bevegelse. P V = nRT Van der Waals tilstandslikning n2 P + a 2 (V − nb) = nRT V Virialutviklingen. Gjelder for ideelle gasser. P Vm = 1 + B 0 P + C 0 P 2 + D0 P 3 + · · · RT P Vm 1 1 1 Z= =1+B + C 2 + D 3 + ··· RT Vm Vm Vm Z= Varmekapasitet C= dq dT CP = CV + nR Termodynamikkens første lov T2 Z ∆U = q + w ∆U = Z T2 dU = CV dT T1 T1 For enatomig ideell gass U = 23 nRT CV = 32 nR CP = 52 nR For en toatomig ideell gass U = 72 nRT CV = 52 nR CP = 92 nR Entalpi Z H = U + PV T2 ∆H = CP dT T1 ∆H > 0 ⇔ Endoterm prosess ∆H < 0 ⇔ Eksoterm prosess Isoterme prosesser ∆U og ∆H er lik null for isoterme prosesser Endring i entalpi Z T2 ∆H2 = ∆H1 + ∆CP dT T1 46 Diverse beregninger av q og w T2 Z Z T2 CV dT dqV = qV = T1 Z T2 T1 Z T2 CP dT dqP = qP = T1 T1 Z V2 P dV = −nRT ln wrev = V1 V2 V1 wirr = −P2 (V2 − V1 ) Adiabatisk tilstandslikning. Gjelder for en adiabatisk prosess (lukket system) P1 V1γ = P2 V2γ der γ = CP CV For en adiabatisk prosess er qrev = 0 etter definisjonen. Virkningsgrad for en Carnot-maskin ηc = Pout wrev Th − Tc =− = Pinn qh Th Teoretiske mengde arbeid som kan utføres −w = qc η 1−η Termodynamikkens 2. lov. Likhet for reversible prosesser. q ∆S ≥ T Entropi For en ideell gass gjelder ∆S = nR ln V2 V1 For reversible prosesser gjelder Generelt ∆S = Konstant volum ∆S = qrev T Z T2 T1 T2 CV dT T Z Konstant trykk CP dT T T1 V2 T2 ∆S = nCV,m ln + nRln T1 V1 ∆S = Generelt for ideell gass For blandingsprosesser (x er molbrøk) ∆mix Sm = −R[x1 ln x1 + x2 ln x2 ] Entropi ved faseoverganger ∆fus S = ∆fus H Tfus ∆vap S = ∆vap H Tvap ∆sub = ∆fus + ∆vap 47 ∆sub S = ∆sub H Tsub Termodynamikkens 3. lov Entropien er null for en ren og perfekt krystall ved 0 Kelvin. Definisjon av G og A G =H − T S A =U − T S ΔG for en reaksjon ∆G◦ (reaksjon) = X ∆f G◦ (prod.) − X ∆f G◦ (reakt.) Total differensial for U, H, G og A U (S, V, N ) H(S, P, N ) G(T, P, N ) A(T, V, N ) P dU = −P dV + T dS + ki=1 µi dni P dH = V dP + T dS + ki=1 µi dni P dG = V dP − SdT + ki=1 µi dni P dA = −P dV − SdT + ki=1 µi dni Gibbs-Helmholts likning . G 1 H= ∂ ∂ T T P ∆H ∂ ∆G =− 2 ∂T T T P For reaksjonen −− * aA + bB ) − − cC + dD Har vi at ◦ ∆G = ∆G + RT lnKp◦ der Kp◦ (puC )c (puD )d = (puA )a (puB )b eq Sammenheng mellom K og temperatur og trykk ln Kp◦ = − ∆H ◦ ∆S ◦ + RT R ln K = − ∆V ◦ P +C RT Clapeyrons likning ∆Hm dP = dT T ∆Vm Clausius-clapeyrons likning ∆vap Hm 1 ∆vap Sm + ln P = − R T R ∆vap Hm 1 P2 1 ln = − P1 R T1 T2 Overflatespenning (γ) arbeid = dw = γdA γ= ∂G ∂A Kapillærkrefter: γ = T,P,n 48 rhρg 2cosσ Damptrykk for dråper (Kelvins likning) P 2γM = P◦ ρrRT ln Raoults lov PA = xA PA∗ lim x→1 P = P∗ x Større enn dette ⇒ positivt avvik Mindre enn dette ⇒ negativt avvik Henrys lov (antar konstant temperatur) 0 Pg = kH mg ⇔ mg = kH Pg lim x→0 P = kH x Daltons lov ⇔ P A = yA P Vektstangregelen 00 Pg = kH xg ⇔ yA = PA P xA,tot − yA nl = ng xA − xA,tot Gibbs-Duhems likning (liknende for de andre partielle molare størrelsene) n1 dV1 + n2 dV2 + . . . = 0 Raoults lov standardtilstand Pi ∗ µi,væske = µi,væske + RT ln Pi∗ x1 dV1 + x2 dV2 + . . . = 0 der Henrys lov standardtilstand Pi ◦ ◦ µi,væske = µi,væske + RT ln kH ai,gass = der S, H og G for ideelle blandinger X ∆mix sid xi ln xi m = −R ai,gass = Pi Pi∗ Pi kH og ai,væske = xi γi og ai,væske = mi γi id id ∆mix Hm = ∆mix Um = ∆mix Vmid = 0 i ∆mix Gid m id id = ∆mix Hm − T (∆mix Sm ) = RT X xi ln xi i G for reelle blandinger ∆mix G = X n i Gi − X i ni G∗i,m = X i i n i µi − X ni µ∗i i Partielle molare størrelser (her for to komponenter) V M = x1 V1M + x2 V2M V M = n1 V M + n2 V M V1M = V M − x2 49 ∂V M ∂x2 Termodynamiske eksessfunksjoner SiE = −R ln γi − RT H E = ∆mix H ∂ln ai ∂T = ∆mix S − ∆mix S id P V E = ∆mix V X GE = RT (xi ln γi ) GE i = RT ln γi Fryse- og kokepunktsnedsettelse ∆fus/vap T = ∗ R(Tfp/kp )2 ∆fus/vap Hm · x2 Denne likningen kan også uttrykkes med molalitet (m, mol/kg) da x2 = m2 · M1 ∆fus/vap T = ∗ M1 R(Tfp/kp )2 ∆fus/vap Hm · m2 = Kf,b m2 Osmotisk trykk - van’t Hoffs likning (ideell løsning) RT n2 = c2 RT V Π= Elektrisk feltstyrke E= F Q2 = Q1 4π0 r r2 Elektrisk potensial Z r φ=− Edr = ∞ Coulumbs lov F = E=− dφ dr Q2 4 π0 r r Q1 Q2 4π0 r r2 Ledningsevne og andre likninger med konduktans (κ) κ= Kcelle R Λm = κ c A A =κ l l G = R−1 = ρ−1 Ostwalds fortynningslov og andre likninger for svake elektrolytter 1 1 Λm [HA]0 = ◦ + ◦ 2 Λm Λm (Λm ) Ka α= Λm Λ◦m Kohlrauschs lov for en sterk elektrolytt √ Λm = Λ◦m − k c Van’t Hoff i-faktor Π = i[HA]0 R T der i = 1 − α + ωα 50 og α= i−1 ω−1 Debye-Hückels-Onsagers likning √ Λm = Λ◦m − (P + Q · Λ◦m ) c Ohms lov I=− ∆φ R Loven om uavhengige ioner og ionemobilitet Λ◦m = v+ λ◦+ + v− λ◦− λ+ = z+ F u+ og λ− = z− F u− I+ v+ λ + = I Λm og t− = Transporttall for ioner t+ = I− v− λ− = I Λm t+ + t− = 1 Debye-Hückels grenselov for lave ioinestyrker, I, (for vann er A=0,509) √ log γ± = −|z+ |z− |A I der I= 1X 2 ci zi 2 i Debye-Hückels utvidede grenselov √ |z+ |z− |A I √ log γ± = − 1+B I Elektrisitetsmengde (Q) er gitt ved Q=I ·t i tillegg er Qi = zi F ni Varmemengde og strøm q=IV t emf ∆G = −z F E Nernst likning E = E◦ − RT ln Q zF Minner også om at aktivitet er a = c · γ± eller ai,væske = xi γi 51 eller ai,væske = mi γi