KİMYA VE ENERJİ SİSTEM VE ÇEVRE

Transkript

1 SİSTEM VE ÇEVRE Kimyasal reaksiyonlar esnasında meydana gelen enerji değişimlerine günlük yaşamımızda sürekli karşılaşırız. Örneğin, doğal gaz ve petrol gibi Yakıtları kapsayan reaksiyonları su ve karbondioksit olan ürünlerinden ziyade, daha çok termal enerji için günlük hayatta uygulanır. Hemen hemen bütün kimyasal reaksiyonlar genellikle ısı şeklinde enerji absorplar veya açığa çıkarırlar. Isı, farklı sıcaklıklardaki iki cisim arasındaki ısıl enerji aktarımıdır. Isı akışı her zaman sıcak cisimden soğuk cisme doğru olur. Kimyasal reaksiyonlara bağlı olan enerji değişimleri incelemeden önce sistem, evren ve çevre kavramlarını tanımlayayım. Sistem: Kimyacılar için özellikle kimyasal ve fiziksel değişimlere katılan maddeleri kapsar. Çevre, ise sistemin dışında kalan evrenin diğer kısmıdır. Evren, İncelenen olayların gerçekleştiği sistem ve sistemin bulunduğu çevre bir bütün olarak evreni oluşturur. Örneğin: Sistem, 100 ml suyun katıldığı bir beher veya içinde He gazı bulunan ideal pistonlu bir kap olabilir. (Şekil : 1) 1

2 Şekil 1 : Sistem ve çevre örnekleri SİSTEMLER VE ÇEVRELERİ Açık sistem: Sistem ile çevresi arasında hem madde, hem de enerji alış verişi olabilir. Bir fincandaki sıcak kahve çevresine ısı verir ve soğur. Madde geçişi de su buharı şeklinde olur. 2

3 Kapalı sistem: Sistemle çevresi arasında enerji alış verişi mümkün fakat madde alış verişi mümkün değildir. Ağzı kapalı bir erlen çevresine ısı verir ve soğur. Çevreye su buharı geçişi mümkün değildir. Yalıtılmış (İzole) sistem: Sistemle çevresi arasında ne enerji, ne de madde alış verişi vardır. Bir termostaki sıcak çay yaklaşık yalıtılmış bir sistemdir. Bununla birlikte termostan çevreye yavaş yavaş enerji geçer ve çay zamanla oda sıcaklığına kadar soğur. İzotermal sistem: Çevre ile enerji ve madde alışverişi yapan ve sıcaklığı sabit olan sistemlerdir. İzotermal bir sistem aynı zamanda açık sistemdir. Sağlıklı bir insan vücudu açık ve izotermal sistemdir. 3

4 İzokorik Sistem: Sabit hacimli sistemlerdir. Hacim değişimi olmadığı sürece çevre ile madde ve enerji alışverişi yapılabilir. Hacim değişimi olmadığından sistem, çevre ile iş alışverişinde bulunmaz. Düdüklü tencerenin çalışma prensibi izokorik sisteme örnek verilebilir. Kapalı sistemlerden, hacim sabit ise aynı zamanda izokorik sistem olarak da bahsedilir. İzobarik Sistem: Basıncın sabit olduğu sistemlerdir. Sistem ile çevre arasında madde ve enerji alışverişi olabilir. İdeal pistonlu bir kapta bulunan gaza bir miktar daha gaz eklendiğinde veya sıcaklığı artırıldığında gazın basıncı değişmeyecektir. Açık hava basıncının sabit olduğu bir ortamda gerçekleşen tepkimenin oluştuğu kap, izobarik sistem olarak tanımlanabilir. 4

5 SORU 1 Fiziksel ve kimyasal değişimlerde meydana gelen ısı değişimini inceleyen bilim dalına - - I - - denir. - - II - -, üzerinde incelemeler yapılan ve sınırları belli evren parçasıdır. - - III - -, sistem ve ortamdan oluşur. Yukarıdaki açıklamalardaki numaralı boşluklara aşağıdaki kavramlardan hangileri getirilmelidir? I II III A) Biyokimya Ortam Evren B) Termokimya Sistem Evren C) Analitik kimya Ortam Sınırlı bölge D) Termokimya Sistem Sınırlı bölge E) Fizikokimya Sistem Evren (MEB) 5

6 SORU 2 Aşağıdaki sistem türleri için verilen örneklerden hangisi yanlıştır? Sistem türü Örnek A) Açık sistem Ağzı açık bardaktaki çay B) İzole sistem Ağzı kapalı bardaktaki çay C) İzotermal sistem Sağlıklı insan vücudu D) İzokorik sistem Düdüklü tencere E) İzobarik sistem Deniz seviyesindeki atmosfer (MEB) 6

7 SORU 3 I. Kapalı bir şişedeki metan gazı II. Bir beherdeki sıcak asit çözeltisi III. Bir termostaki çay Yukarıdaki verilen maddelerin bulundukları sistemlerin sınıflandırılması aşağıdakilerden hangisinde doğru olarak verilmiştir? I II III A) Kapalı Açık Kapalı B) Kapalı Açık İzole C) İzole Kapalı Açık D) Açık Kapalı İzole E) Açık Kapalı Açık 7

8 SORU 4 I. Sabit hacimli ve izole bir sistemde oluşan endotermik tepkimede sistemin sıcaklığı azalır. II. Suyun oda koşullarında donması istemlidir. III. Açık sistemlerde enerji alışverişi olmaz. Yukarıda verilenlerden hangisi ya da hangileri doğrudur? A) Yalnız I B) I ve II C) I ve III D) II ve III E) I, II ve III 8

9 ISI, MEKANİK İŞ VE İÇ ENERJİ Enerji, genellikle iş yapabilme kapasitesidir. Buna göre, iş yapan bir sistemin enerjisi azalırken iş alan bir sistemin enerjisi artar. Benzer şekilde, ısıveren bir sistemin enerjisi azalırken ısıalan bir sistemin enerjisi artar. Sistem ile çevre arasındaki sıcaklık farkından doğan enerji akışına ısı, basınç farkından doğan enerji akışına ise iş adı verilir. Kimyacılar işi bir işlem sonucu meydana gelen yönlendirilmiş enerji değişimi olarak tanımlarlar. BAŞLICA ENERJİ ÇEŞİTLERİ Kinetik enerji: Hareket eden bir cisim tarafından meydana getirilen enerji türüdür. Kimyacıların özel ilgisini çeken kinetik enerji, o cismin kütlesine (m) ve hızına (v) bağlıdır. K.E = 1 2 mv2 Radyant Enerji: Güneşten gelen ve dünyanın temel enerji kaynağını karşılayan enerji çeşididir. Atmosferi ve dünya yüzeyini ısıtır. Dünya iklim şartlarını etkiler ve fotosentezle bitkilerin gelişimini uyarır. Termal Enerji: Sıcaklık ölçümlerinden hesaplanan termal enerji, atom ve moleküllerin gelişi güzel hareketi ile ilgili enerji çeşididir. Büyüklüğü atom ve moleküllerin hareketiyle orantılıdır. Örneğin 40 o C suyla doldurulmuş 9

10 bir küvetin termal enerjisi 80 o C deki bir çay bardağının enerjisinden daha fazladır. Çünkü küvetteki su miktarı kütle ve hacimce daha fazladır. Kimyasal Enerji: Kimyasal maddelerin yapısal birimleri içinde depolanan enerji çeşididir. Enerjinin büyüklüğü, yapıya giren atomların düzeni ve şekli belirler. Maddeler kimyasal tepkimelere girdiklerinde, kimyasal enerji serbest kalır, depolanır veya enerjinin bir başka formuna dönüşürler. Potansiyel Enerji: Bir cismin konumuna eşlik eden enerjidir. Depolanmış enerji olarak ta tanımlanır. Örneğin yüksekte bulunan bir kaya parçasının enerjisi, konumuna göre daha alçak bir yerde bulunan başka bir kaya parçasına göre daha büyük bir enerjiye sahiptir. Özet: Prensip olarak enerjinin bütün formları bir şekilden bir diğerine dönüşebilir. Güneş altında kaldığımız zaman, ışıma enerjisi derimiz üzerinde ısı enerjisine dönüşür. Vücudumuzda depolanmış olan kimyasal enerjiyi, jimnastik yaparak kinetik enerjiye dönüştürürüz. Yokuş aşağı bırakılan bir kaya parçası, yuvarlamaya başladığı zaman potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşür. 10

11 Enerji formlarının birbirine dönüşmesi, bilim insanları enerjinin yoktan var edilemeyeceği ve var olan enerjinin de kaybolamayacağı kanısına vardılar. Bir enerji şekli kaybolduğunda, eşit büyüklükte başka bir enerji şekli ortaya çıkar ve buna enerjinin korunum kanunu denir. Evrendeki toplam enerji miktarı sabit olduğu kabul edilir. İÇ ENERJİ Bir sistemi oluşturan atom, iyon ve molekül gibi en küçük yapı taşlarının sahip olduğu tüm enerjilerin toplamına iç enerji denir. İç enerji U sembolü ile gösterilir. İç enerjiye; Taneciklerin öteleme, titreşim, dönme hareketlerinden kaynaklı kinetik enerjileri Taneciklerin potansiyel enerjileri Atomların çekirdek enerjileri Taneciklerdeki elektronların spin hareketlerinden kaynaklı elektronik enerjileri katkı sağlar. He, Ar, Ne gibi tek atomlu tanecikler sadece öteleme hareketi yaparken iki veya daha fazla atomlu (H 2, F 2, NH 3...) taneciklerin ise öteleme enerjilerinin yanında dönme ve titreşim enerjileri de vardır. Bir sistemin iç enerjisi tek başına ölçülemez. Ancak sistemin iki farklı durumu karşılaştırıldığında iç enerjileri arasındaki fark 11

12 ölçülebilir. Bu fark, sistemin aldığı ya da verdiği ısı miktarı kadardır. Herhangi bir sisteme dışarıdan ısı verilirse iç enerjisi artarken, sistem dışarı ısı verirse iç enerjisi azalır. İç enerji değişimi ΔU sembolü ile gösterilir ve aşağıdaki formül ile hesaplanır. ΔU = U son U ilk SORU 5 I. Suyun donması II. Suyun buharlaşması III. Naftalinin süblimleşmesi Yukarıdaki olaylardan hangilerinde sistemin iç enerjisi artar? A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve II D) I ve III E) II ve III (MEB) 12

13 SORU 6 Bir sistemdeki taneciklerin kinetik ve potansiyel enerjileri toplamına - - I - - denir. Sistem ile ortam arasında sıcaklık farkından dolayı alınıp verilen enerjiye - - II - - denir. Sıcaklık farkından bağımsız olarak aktarılan enerjiye - - III - - denir. Yukarıdaki açıklamalardaki numaralı boşluklara aşağıdaki kavramlardan hangileri getirilmelidir? I II III A) Isı İş İç enerji B) İş Isı İç enerji C) Isı İç enerji İş D) İç enerji İş Isı E) İç enerji Isı İş (MEB) 13

14 SORU 7 Bir sisteme sabit basınçta 280 kj ısı veriliyor. Bu ısı ile sistem 45 kj iş yaptığına göre sistemin iç enerji değişimi ( U) kaç kj dur? A) +235 B) -235 C) +325 D) -325 E) +190 B) (MEB) SORU 8 Aşağıdaki gazlardan hangisinin iç enerjisi sadece gazın toplam kinetik enerjisine eşittir? A) Cl 2 B) CH 4 C) He D) CO 2 E) CO (MEB) 14

15 ISI VE MEKANİK İŞ Genel anlamda işin (w), kuvvet (F) ve uzaklığın (d) çarpımı olarak ifade edilir. w = F x d Termodinamikte iş ifadesi, mekanik iş, elektriksel iş ve benzerlerini kapsayan geniş bir anlama sahiptir. Kimyasal tepkimelerle ilgili en yaygın mekanik iş gazların genleşmesi ve sıkışmasından kaynaklanan basınç hacim işidir. Belirli sıcaklık, basınç ve hacim de, ağırlıksız, sürtünmesiz hareket edebilen pistonla bağlantılı bir silindir içindeki bir gazı düşünelim. Gaz genleşirken, sabit bir dış atmosfer basınca (P) karşı pistonu yukarı doğru iter (Şekil: 2). Gaz tarafından çevreye karşı yapılan iş w = P V Şekil 2 : Sabit bir dış basınca karşı bir gazın genleşmesi Burada V, hacimdeki değişimi (V s V i ) göstermektedir. 15

16 Gaz genleştiğinde ΔV > 0 olur ve ( P ΔV) negatiftir. Gaz sıkıştırıldığında ise ΔV < 0 olur ve büyüklüktür. ( PΔV) pozitif bir Basınç (P) sıfır ise (gaz vakuma karşı genleşiyorsa) yapılan iş sıfırdır. Isı ve iş hal fonksiyonu değildirler. Çünkü bir sistemin özellikleri değildirler. Kendilerini sadece bir değişim esnasında belli ederler. Bir gaza karşı veya gaz tarafından yapılan iş birimleri litre atmosferdir (L atm). İşin SI birimi Joule (J)dur. Bu iki birimin çevirme faktörü aşağıdaki gibidir. 1 L atm =101,3 J Basınç hacim işine, patlayıcıların ve otomobil motorlarında yanan benzinden oluşan gazların yaptığı iş örnek verilebilir. SORU 9 Bir gaz sabit sıcaklıkta 10 L hacimden 4L hacme sıkışmaktadır. Normal atmosfer basıncında çevrenin sisteme karşı yaptığı işi L. atm ve Joule cinsinden hesaplayınız. 16

17 SORU 10 Bir gaz örneği 1 atm lik sabit bir dış basınca karşı genleşerek 30 L lik bir hacim değişimi meydana getiriyor. Yapılan iş kaç Joule dur? SORU 11 Bir gaz sabit sıcaklıkta 3 L hacminden 7 L hacime genleşmektedir. Gazın yaptığı işi, vakuma karşı ve 836 mmhg basınca karşı genleşmesi durumunda L. atm ve Joule cinsinden hesaplayınız. 17

18 ISI Isı sistem ile çevre arasındaki sıcaklık farkından doğan enerji akışına denir. Sıcak bir cisimden soğuk bir cisme enerji aktarımı ısı şeklinde olur. Moleküller düzeyin de ise, sıcak cismin molekülleri, çarpışma sonucu, soğuk cismin moleküllerine kinetik enerji aktarırlar. Isı akımı iki cismin ortalama kinetik enerjileri aynı ( sıcaklıkları eşitlenince) oluncaya kadar devam eder. Bir maddenin sıcaklığını değiştirmek için gerekli ısı miktarı (Q) Sıcaklığa Madde miktarına Maddenin niteliğine (atom ya da molekül türüne) bağlıdır. Bir gram suyun sıcaklığını bir derece yükseltmek için gerekli ısı miktarına 1 kalori (kal) denir. Kalori küçük enerji birimi olduğundan genellikle kilokalori (kkal)şeklinde kullanılır. SI birim sistemindeki ısı birimi ise Joule dur. 1 kal = 4,184 J Bir sistemin sıcaklığını bir derece değiştirmek için gerekli ısı miktarına, o sistemin ısı kapasitesi denir. Sistem bir mol madde ise ısı kapasitesi mol ısı, eğer sistem bir gram madde ise ısı öz ısı adı verilir. 18

19 Isı miktarı (Q), madde miktarı (m ), maddenin öz ısısı (c) ve sıcaklığa bağlı olarak ( T) aşağıdaki bağıntıda olduğu gibi hesaplanır. Q = m C T Eşitlikteki sıcaklık değişimi T =T son T ilk şeklinde ifade edilir. Sistemin sıcaklığı artarsa (T son > T ilk ) T nin değeri pozitif olur ve Q nun pozitif olması ısının sistem tarafından kazanıldığını belirtir. Sistemin sıcaklığı azalırsa (T son < T ilk ) T nin değeri negatif olur ve Q nun negatif olması ısının açığa çıktığı ya da kaybedildiğini belirtir. Enerjinin korunum yasası gereği sistem ve çevresi arasındaki etkileşimlerde toplam enerji sabit kalır ve aşağıdaki biçimde formüllendirilebilir Q sistem + Q çevre = 0 Buna göre, sistemin kaybettiği ısı çevresi tarafından kazanılır, çevrenin kaybettiği ısı sistem tarafından kazanılır Yani, Q sistem = Q çevre TERMODİNAMİĞİN SIFIRINCI (0.) KANUNU Isı sistem ile çevre arasındaki sıcaklık farkından doğan enerji akışına denir. Sıcak bir cisimden soğuk bir cisme enerji aktarımı ısı şeklinde olur 19

20 Isıalan bir maddenin enerjisi artarken ısıveren bir maddenin enerjisi azalır. Sıcaklık bir maddeyi oluşturan taneciklerden birinin ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür. Ancak enerji değildir. Birimleri C, K, R ve F dir. Farklı sıcaklıklardaki maddeler bir araya getirildiğinde, sıcaklığı daha yüksek olan maddeden daha düşük olan maddeye ısı akışı olur. Bu ısı akışı, maddelerin sıcaklıkları eşitlenene kadar devam eder. Sıcaklıklar eşitlendiğinde ısıl denge oluşur ve ısı akışı biter. Bu durum Termodinamiğin Sıfırıncı Kanunu olarak: İki farklı madde üçüncü bir madde ile termal dengede ise bu iki madde de birbiri ile termal dengededir. Bu durumda araların da ısı alışverişi olmaz ve sıcaklıkları eşittir. şeklinde ifade edilir. A ve B ısıl dengede, B ile C de ısıl dengede ise A ile C ısıl dengededir. B burada bir termometre gibi davranmıştır ve A ile C nin sıcaklıklarının aynı olduğunu söyler. 20

21 SORU 12 İç enerji ve iç enerji değişimi için; I. Sabit hacimli bir kapta sisteme verilen ısıya eşittir. II. Sıcaklığa bağlı bir hal fonksiyonudur. III. Bir sistemin iç enerjisi tek başına ölçülemez. Yargılarından hangileri doğrudur? A) Yalnız I B) I ve II C) I ve III D) II ve III E) I, II ve III (MEB) SORU 13 Isı kavramı için aşağıdaki açıklamalardan hangisi yanlıştır? A) Sıcaklık farkından ileri gelen enerji değişimidir. B) Isı alışverişi iki cismin sıcaklıkları eşit oluncaya kadar devam eder. C) Isı akışı, sıcaklığı yüksek olan maddeden sıcaklığı düşük olan maddeye doğrudur. D) Isı akışı maddenin halini değiştiremez. E) Madde miktarına bağlıdır. (MEB) 21

22 SORU 14 Bir sistemin iç enerjisini (U); I. Ortamın sisteme iş yapması II. Sistemin ortama iş yapması III. Sistemin soğutulması İşlemlerinden hangileri azaltır? A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve II D) II ve III E) Yalnız III (MEB) SORU 15 Sabit basınçlı kapalı bir kapta sisteme karşı 143 kj luk iş yapılırken kaptaki gaz dışarıya 67 kj luk enerji vermektedir. Buna göre sistemin iç enerji değişimi ( U) kaç kj dur? A) +210 B) -210 C) +76 D) -76 E) +217 (MEB) 22

23 SORU 16 Isı ve sıcaklık kavramları için aşağıdaki açıklamalardan hangisi yanlıştır? A) Isı bir enerji çeşididir. B) Sıcaklık termometre ile ölçülebilir. C) Sıcaklık birimi derece dir. D) Isının birimi kalori veya joule dur. E) Sıcaklık madde miktarına bağlıdır. (MEB) SORU 17 I. Masada bırakılan bir bardak çayın zamanla soğuması II. Soğuk suya bırakılan sodyum metalinin patlaması III. Isınan bir balonun genleşmesi Yukarıdaki olaylardan hangileri termodinamiğin sıfırıncı yasası ile açıklanabilir? A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve II D) I ve III E) II ve III (MEB) 23