1. Föreläsning 3 & 4: Energi, entalpi och termokemi
Kapitel 9
9.1 Energi, arbete, inre energi
9.2 Entalpi
9.3 Ideala gasers termodynamik
9.4 Värmekapacitet
Rekommenderade uppgifter
19, 21, 24, 26, 27
29
33, 35, 36

2. Energi
Energin hos ett system är definierad som dess kapacitet att utföra arbete
och forsla värme. Man kan inte säga att ett system har mycket eller lite
energi men man kan se effekter av energiöverföring.
Inre energi
Inre energin E hos ett system är summan av alla beståndsdelars
potentiella och kinetiska energi.
System och omgivning
Ett system är den del vi är intresserade av, t ex reaktanter och produkter i en
kemisk reaktion eller t ex jordklotet. Omgivningen är strikt definierat som allt
annat utom systemet.

3. Typer av system
Öppet system – materia liksom energi får
passera systemets gränser
Slutet system – materia passerar inte
systemets gränser men värme kan överföras
och arbete kan utföras, alltså energi kan
utbytas med omgivningen
Isolerat system – varken materia eller energi
utbyts med omgivningen
Slutet
system

4. Första huvudsatsen
Energin i universum är bevarad. Energi kan varken skapas eller förstöras.
Första huvudsatsen är en hypotes, alltså ett antagande, men den har aldrig
motbevisats.
Värme och arbete
kallas ibland värmet inom kemi
Energinöverföring sker tvärs systemets gränser och finns bara i två former,
värme q och arbete w. Arbete sker genom att göra förändringar i de
makroskopiska variabler som definierar systemet, t ex genom att ändra tryck,
volym eller substansmängd (eller genom att ändra ett externt fält). Värme
är all annan energiöverföring som inte är arbete.
Kollision mellan en molekyl och kolv i rörelse
Låt säga att arbete utförs på ett system i form av att en kolv komprimerar
systemet. Molekyler som kolliderar med kolven erhåller högre hastigheter.

5. Endoterma och exoterma processer
I endoterma processer tillförs värme till systemet.
q>0
I exoterma processer avges värme från systemet.
q<0
riktningen på värmeöverföringen anges av tecknet
minus betyder ut ur systemet och plus betyder in i systemet
exoterm reaktion
2Mg(s)+O2(g)→2MgO(s)
samma regel gäller arbete w
minus (w<0) betyder att arbete utförs av systemet och
plus (w>0) betyder att arbete utförs på systemet
endoterm reaktion
2Ba(OH)2(s)+2NH4NO3(s)→Ba(NO3)2(s)+2H2O(l)+2NH3(aq)
reaktionen kyler kolven såpass att den
fryser fast i en träplatta med lite vatten på

6. Molekylär bild av värme och arbete
Molekyler i systemet ökar sin rörelse då värme tillförs och då arbete utförs
på systemet och därmed ökar systemets inre energi. Själva förändringen i
molekylernas rörelse ser annorlunda ut beroende på om energiöverföringen
sker via värme eller arbete.
systematisk ändring i rörelse hos
molekylerna i omgivningen
systemet genomgår en expansion
w<0
slumpartad ändring i rörelse hos
molekylerna i omgivningen
i systemet sker en
exoterm reaktion
q<0

7. Första huvudsatsen
Första huvudsatsen kan uttryckas som att ändringen i inre (total) energi hos
ett system ges utav summan av värmeöverföring och arbete
∆E = q + w
∆E betyder Eefter-Eföre
notera att man tar tillståndet efter processen
och subtraherar tillståndet före processen
Om inget annat anges så ses q och w ur systemets perspektiv.
Med andra ord är q>0 då värme tillförs systemet och w>0 då
arbete utförs på systemet (i båda fallen tillförs energi till systemet).

8. Tryck-volymsarbete
Arbete kan definieras som kraft som verkar över en sträcka w=F∆h.
Vi undersöker ett slutet system med en friktionslös kolv
Fext
kompression
hföre
system
hefter
system
∆V=A(hefter-hföre)=A∆h<0
arbete = kraft · avstånd = Fext · ∆h = (pext·A) · ∆h ≡ -pext∆V
minustecknet införs så att w>0 för en kompression
(då arbete utförs på systemet) och w<0 för en
expansion (då systemet utför arbete)

9. Värmekapacitet
Värmekapacitet C är den mängd värme som måste tillföras/fråntas ett system för
att höja/sänka dess temperatur. Namnet syftar på systemets kapacitet att lagra
energi (i form av molekylär vibration, rotation och translation).
En värmekapacitet som är oberoende av substansmängd fås genom att definiera
molär och specifik värmekapacitet. Man ser vilken det rör sig om genom enheterna.
q=C∆T
J
J/K K
molär värmekapacitet
specifik värmekapacitet
q=C∆T
q=C∆T
J/mol J/(K·mol) K
J/g J/(K·g) K
q=nC∆T
q=mC∆T
J mol J/(K·mol) K
J g J/(K·g) K

10. Molär värmekapacitet hos en ideal gas vid konstant volym
Om vi värmer ett system vid konstant V
∆E = q + w = q = nCV∆T
w=0 vid konstant V
Den enda form av energi i en (monoatomär) ideal gas är kinetisk energi i form av
translation. Den kinetiska energin per mol är (KE)avg=(3/2)RT och
(KE)avg=(3/2)nRT för n mol.
3
3
3
efter
före
∆E = ( KE )avg − ( KE )avg = nRTefter − nRT före = nR∆T
2
2
2
CV=(3/2)R
Molär värmekapacitet hos en ideal gas vid konstant tryck
3
För en ideal gas gäller ∆E = nR∆T oavsett.
2
q=∆E - w = (3/2)nRT + p∆V = (3/2)nRT + nR∆T = nCp∆T
Cp=(5/2)R

11. Entalpi
Då vi värmer ett system under konstant tryck går en del av energin åt att
öka rörelsen hos molekylerna i systemet men en del går åt att flytta kolven
utåt vilken ökar rörelsen hos molekylerna i omgivningen. Den första delen
av energi stannar i systemet men den andra går till omgivningen.
pext
pext
Vföre
q
Vefter
p
p=pext vid jämvikt i båda fallen
p
före
efter
Begreppet entalpi införs som en egenskap enbart hos systemet för att slippa
behöva tänka på att en del energi går till omgivningen då tryck hålls konstant.
q = ∆E + p∆V = Eefter − E före + pVefter − pV före = ( Eefter + pVefter ) − ( E före + pV före ) = ( E + pV )efter − ( E + pV ) före = ∆ ( E + pV )
H
p=pext=konstant
q=∆H då p hålls konstant
entalpi är värmemängd om p är konstant

12. Tillståndsfunktioner
En tillståndsfunktion beror inte på hur tillståndet har uppnåtts.
Exempel på tillståndsfunktioner: T, p, V, n, E, H, S
Värme q och arbete w är inte tillståndsfunktioner.
p
A: (VA, pA)
D: (VD, pD)
C: (VC, pC)
B: (VB, pB)
V
att gå från tillstånd A till B via C ger
qACB=qAC+qCB och wACB=wAC+wCB
att gå från tillstånd A till B via D ger
qADB=qAD+qDB och wADB=wAD+wDB
notera att generellt gäller
qACB≠qADB och wACB≠wADB
men
∆EACB=∆EADB eftersom E är en tillståndsfunktion
Tack vare att H är en tillståndsfunktion kan man räkna ut ∆H för olika processer
t ex för kemiska reaktioner. Vi ska se exempel på detta lite senare.