If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

თუ ვებფილტრს იყენებთ, დარწმუნდით, რომ *.kastatic.org და *.kasandbox.org დომენები არ არის დაბლოკილი.

ძირითადი მასალა

კურსი: ქიმია > თემა 11

გაკვეთილი 1: შინაგანი ენერგია

წნევისა და მოცულობის მუშაობა

მუშაობის განმარტება თერმოდინამიკაში და როგორ დავთვალოთ შესრულებული სამუშაო გაზის გაფართოების ან კომპრესიის საშუალებით

საკვანძო საკითხები:

  • მუშაობა ენერგიაა, რომელიც საჭიროა ძალის საწინააღმდეგოდ რაიმეს გადასაადგილებლად.
  • სისტემის ენერგია შეიძლება შეიცვალოს მუშაობისა და ენერგიის გადაცემის სხვა ფორმების, მაგალითად, სითბოს, შედეგად.
  • შემდეგი განტოლების მიხედვით, აირები ასრულებენ შეკუმშვის ან გაფართოების მუშაობას:
    მუშაობა=PΔV

შესავალი: მუშაობა და თერმოდინამიკა

როდესაც ადამიანები ყოველდღიურ საუბრებში მუშაობას ახსენებენ, ისინი, ჩვეულებრივ, გულისხმობენ რაიმეში ძალისხმევის ჩადებას. შეიძლება „იმუშაო სასკოლო პროექტზე“ ან „იმუშაო, რათა ბეისბოლის ბურთის სროლა იდეალურად შეძლო“. თერმოდინამიკაში „მუშაობას“ ძალიან სპეციფიური მნიშვნელობა აქვს: ესაა ენერგია, რომელიც საჭიროა რაიმე ობიექტის გადასაადგილებლად ძალის წინააღმდეგ. მუშაობა w არის სისტემაში ენერგიის შესვლის ან გამოსვლის ერთ-ერთი ფუნდამენტური გზა და მისი ერთეულია ჯოული ().
როცა სისტემა გარემოზე ასრულებს მუშაობას, სისტემის შინაგანი ენერგია მცირდება. როდესაც სისტემაზე სრულდება მუშაობა, მისი შინაგანი ენერგია იზრდება. სითბოს მსგავსად, მუშაობის მიერ გამოწვეული ენერგიის ცვლილება ყოველთვის რაიმე პროცესის ნაწილია: სისტემას შეუძლია, შეასრულოს მუშაობა, მაგრამ ის არ შეიცავს მუშაობას.
სურათზე გამოსახულია პატარა ბავშვი საქანელაზე, მისი ფეხები კამერისკენაა მიმართული. საქანელა მისი ტრაექტორიის მაღალ წერტილთანაა ახლოს და გადახრილია კამერისგან/მაყურებლისგან.
თუ სისტემა საქანელაზე მყოფი ბავშვია, მასზე მუშაობის შესრულება შესაძლებელია ბიძგის მიცემის გზით. ჩვენ შევასრულებთ მუშაობას მიზიდულობის წინააღმდეგ და ეს გაზრდის საქანელაზე მყოფი ბავშვის შინაგან ენერგიას, ვაშააა! ფოტოს წყარო: Stephanie Sicore flickr-ზე, CC BY 2,0
მუდმივი ძალის მიერ შესრულებული მუშაობის გამოსათვლელად შეგვიძლია შემდეგი ზოგადი განტოლების გამოყენება:
მუშაობა=ძალა×გადაადგილება.
ქიმიის გაკვეთილის მიზნებისთვის (ფიზიკის გაკვეთილებისგან განსხვავებით), ამ განტოლებაში ყველაზე მნიშვნელოვანი ისაა, რომ მუშაობა არის როგორც გადაადგილების, ასევე გამოყენებული ძალის სიდიდის პროპორციული. იმის მიხედვით, თუ რომელი ძალაა ჩართული, შეგვიძლია, გამოვიყენოთ სხვადასხვა ტიპის მუშაობის განტოლება. მუშაობის შესრულების მაგალითებია:
  • ადამიანი, რომელიც იატაკიდან იღებს წიგნებს და თაროზე დებს, ასრულებს მუშაობას მიზიდულობის წინააღმდეგ.
  • ბატარეა, რომელიც ატარებს ელექტრულ დენს წრედში, ასრულებს მუშაობას წინაღობის წინააღმდეგ.
  • ბავშვი, რომელიც იატაკზე დადებულ ყუთს აწვება, ასრულებს მუშაობას ხახუნის წინააღმდეგ.
თერმოდინამიკაში ძირითადად გვაინტერესებს აირთა გაფართოების ან შეკუმშვის შედეგად შესრულებული მუშაობა.

წნევა-მოცულობის მუშაობა: აირის მიერ შესრულებული მუშაობა

აირები მუშაობას ასრულებენ მუდმივი გარე წნევის წინააღმდეგ შეკუმშვის ან გაფართოების შედეგად. აირთა მიერ შესრულებულ მუშაობას ხანდახან ეწოდება წნევა-მოცულობა ან PV მუშაობა იმ მიზეზების გამო, რომლებიც, იმედია, ამ სექციაში თქვენთვის ნათელი გახდება!
მოდით, განვიხილოთ, დგუშში მოთავსებული აირი.
. თუ აირი ცხელდება, ე.ი. აირთა მოლეკულებს ემატება ენერგია. მოლეკულების საშუალო კინეტიკური ენერგიის ზრდას შეგვიძლია დავაკვირდეთ აირის ტემპერატურის ზრდის მიხედვით. როცა აირთა მოლეკულები უფრო სწრაფად მოძრაობენ, ისინი დგუშს უფრო ხშირად ეჯახებიან. ეს მზარდად ხშირი შეჯახებები გადასცემენ ენერგიას დგუშს და ამოძრავებენ მას გარე წნევის წინააღმდეგ, რითაც ზრდიან აირის ჯამურ მოცულობას. ამ მაგალითში, აირი ასრულებს მუშაობას გარემოზე, რომელიც მოიცავს დგუშს და დანარჩენ სამყაროს.
იმისთვის, რომ გამოვთვალოთ, რა რაოდენობის მუშაობა შეასრულა აირმა (ან შეასრულეს მასზე) მუდმივი გარეთა წნევის წინააღმდეგ, ვიყენებთ წინა განტოლების სხვადასხვა ვარიანტებს:
მუშაობა=w=Pგარეთა×ΔV
სადაც Pგარეთა არის გარეთა წნევა (სისტემაში არსებული აირის წნევისგან განსხვავებით) და ΔV არის აირის მოცულობის ცვლილება, რაც შეგვიძლია აირის საწყისი და საბოლოო მოცულობებიდან დავთვალოთ:
ΔV=VსაბოლოოVსაწყისი
რადგანაც მუშაობა ენერგიაა, მისი ერთეულია ჯოული (სადაც 1=1კგ2s2). შეიძლება, შეგხვდეთ სხვა ერთეულებიც, მაგალითად, ატმოსფერო (წნევის შემთხვევაში) და ლიტრი (მოცულობის შემთხვევაში), რის შედეგადაც მუშაობის ერთეული იქნება ატმ. ჩვენ შეგვიძლია, ატმ გადავიყვანოთ ჯოულებში, გადაყვანის ფაქტორის 101,3251ატმ-ს გამოყენებით.

მუშაობის ნიშანი

შეთანხმების შედეგად, უარყოფითი მუშაობა სრულდება მაშინ, როცა სისტემა ასრულებს მუშაობას გარემოზე.
  • როცა აირი ასრულებს მუშაობას, მისი მოცულობა იზრდება (ΔV>0) და შესრულებული მუშაობა უარყოფითია.
  • როცა სამუშაო შესრულებულია აირზე, მისი მოცულობა მცირდება (ΔV<0) და შესრულებული სამუშაო დადებითია.
ერთ-ერთი გზა მუშაობის ნიშნის დასამახსოვრებლად ისაა, რომ ყოველთვის იფიქროთ ენერგიის ცვლილების შესახებ აირის გადმოსახედიდან. როცა აირი ფართოვდება გარეთა წნევის წინააღმდეგ, აირმა გარემოს რაიმე ენერგია უნდა გადასცეს. აქედან გამომდინარე, უარყოფითი მუშაობა აირის ჯამურ ენერგიას ამცირებს. როდესაც აირი იკუმშება, ენერგია გადაეცემა აირს, ასე რომ, აირის ენერგია იზრდება დადებითი სამუშაოს შედეგად.

მაგალითი: აირზე შესრულებული სამუშაოს გამოთვლა

იმისთვის, რომ ნათლად დავინახოთ, როგორაა შესაძლებელი PV მუშაობის განტოლების გამოყენება, წარმოვიდგინოთ ველოსიპედის ტუმბო. დავუშვათ, რომ ტუმბოში არსებული აირი მიახლოებულია დგუშში არსებულ იდეალურ აირთან. დგუშში არსებულ აირზე მუშაობის შესრულება შესაძლებელია მისი შეკუმშვის გზით. თავდაპირველად, აირის მოცულობაა 3,00. მასზე ვიმოქმედებთ მუდმივი გარეთა წნევით, რომელიც 1,10ატმ-ს ტოლია, რათა ტუმბოს სახელური ქვემოთ ჩამოვწიოთ, სანამ აირი შეიკუმშება 2,50-მდე. რა მუშაობა შევასრულეთ აირზე?
შეგვიძლია, გამოვიყენოთ განტოლება წინა სექციიდან, რათა გავიგოთ, რა რაოდენობის მუშაობა შესრულდა აირის შეკუმშვით:
w=Pგარეთა×ΔV=Pგარეთა×(VსაბოლოოVსაწყისი)
თუ ჩვენს მაგალითში შევიტანთ Pგარეთა-ს, Vსაბოლოო-ს და Vსაწყისი-ს მნიშვნელობებს, მივიღებთ:
w=1,10ატმ×(2,503,00)=1,10ატმ×0,50=0,55 ატმ
მოდით, შევამოწმოთ მუშაობის ნიშანი, რათა დავრწმუნდეთ, რომ ყველაფერი სწორადაა. რადგანაც აირის მოცულობა შემცირდა, ვიცით, რომ აირზე შესრულდა მუშაობა. ეს ნიშნავს, რომ ჩვენ მიერ გამოთვლილი მუშაობის მნიშვნელობა დადებითი უნდა იყოს, რაც ჩვენს შედეგს ემთხვევა. ვაშაა! ჩვენ მიერ გამოთვლილი მუშაობა შეგვიძლია ჯოულებში გადავიყვანოთ, გადაყვანის ფაქტორის გამოყენებით:
w=0,55ატმ×101,3251ატმ=56
აქედან გამომდინარე, ჩვენ შევასრულეთ 56 მუშაობა, რათა შეგვეკუმშა ველოსიპედის ტუმბოში არსებული აირი 3,00-დან 2,50-მდე.

მუშაობა, როცა მოცულობა ან წნევა მუდმივია

რამდენიმე ფართოდ გავრცელებულ შემთხვევაში შეიძლება, ქიმიის გაკვეთილზე მუშაობის გამოთვლა დაგვჭირდეს და, კარგია, ამოვიცნოთ ისინი, როცა შეგვხვდებიან. ახლა განვიხილავთ, თუ როგორ გამოვითვალოთ მუშაობა ასეთ შემთხვევებში.

მუდმივი მოცულობის პროცესები

ხანდახან რეაქციები ან პროცესები მიმდინარეობენ ხისტ, დახუფულ ჭურჭლებში, მაგალითად, ბომბიან კალორიმეტრში. როდესაც მოცულობის ცვლილება შესაძლებელი არაა, აირები მუშაობას ვერ შეასრულებენ, რადგანაც ΔV=0. ასეთ შემთხვევებში, მუშაობა=0 და სისტემის ენერგიის ცვლილება სხვა გზით, მაგალითად, სითბოს სახით, უნდა მოხდეს.

მერხზე (ან გაზქურაზე) მიმდინარე რეაქციები: მუდმივი წნევის პროცესები

ქიმიაში ხშირად დავინტერესდებით ენერგიის ცვლილებით, რომელიც მუდმივ წნევაზე მიმდინარე რეაქციაში ხდება. მაგალითად, შეიძლება, რეაქცია ჩავატაროთ ღია ქიმიურ ჭიქაში მაგიდაზე. ასეთ სისტემებში წნევა მუდმივია, რადგანაც სისტემაში არსებული წნევა ემთხვევა გარემოს ატმოსფერულ წნევას.
სურათზე გამოსახულია სუპი, რომელიც შეიცავს პომიდვრებს, ხახვებს, ხორცსა და მოსტაფილოსფრო ბულიონს. მეტალის ქვაბი თეთრ გაზქურაზე დგას და სუპს ურევენ მეტალის შავი კოვზით.
თავმოხდილ ქვაბში სუპის მზადება მუდმივ წნევაზე მიმდინარე ქიმიური რეაქციის კიდევ ერთი მაგალითია! სინიგანგის ფოტო. წყარო: Wikimedia Commons, CC BY 2,0
ამ სიტუაციაში, რეაქციისას სისტემის მოცულობა შეიძლება შეიცვალოს, ასე რომ, ΔV0 და მუშაობაც არ უდრის ნულს. სითბოს მიმოცვლა შეიძლება მიმდინარეობდეს სისტემას (ჩვენი რეაქცია) და გარემოს შორის, ამიტომ, როდესაც ამ რეაქციის ენერგიის ცვლილებაზე ვფიქრობთ, უნდა გავითვალისწინოთ სითბოც და მუშაობაც. მუშაობის ენერგიის კონტრიბუცია უფრო მნიშვნელოვანი ხდება მაშინ, როდესაც რეაქციის შედეგად წარმოიქმნება ან იხარჯება აირები, განსაკუთრებით კი მაშინ, თუ აირის მოლების რაოდენობა არსებითად იცვლება საწყის და საბოლოო ნივთიერებებს შორის.
სხვა ქიმიური პროცესების შედეგად მოცულობა მხოლოდ მცირედად იცვლება, მაგალითად, თხევადი ფაზიდან მყარ ფაზაში გადასვლისას. ასეთ შემთხვევაში, მუშაობის შედეგად გამოწვეული ენერგიის ცვლილებაც საკმაოდ მცირე იქნება და შეიძლება, უგულებელვყოთ კიდეც, როცა ენერგიის ცვლილებას ვითვლით. დამოკიდებულება მუშაობას, სითბოს და ენერგიის მიმოცვლის სხვა ფორმებს შორის შემდეგ იქნება განხილული თერმოდინამიკის პირველი კანონის კონტექსტში.

დასკვნები

  • მუშაობა ენერგიაა, რომელიც საჭიროა ძალის საწინააღმდეგოდ რაიმეს გადასაადგილებლად.
  • სისტემის ენერგია შეიძლება შეიცვალოს მუშაობისა და ენერგიის გადაცემის სხვა ფორმების, მაგალითად, სითბოს, შედეგად.
  • შემდეგი განტოლების მიხედვით, აირები ასრულებენ შეკუმშვის ან გაფართოების მუშაობას:
    მუშაობა=PΔV

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

პოსტები ჯერ არ არის.
გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.