אנרגיה כימית מבוא


אנרגיה כימית מבוא

אנרגיה כימית מבוא

אנרגיה פנימית של חומר

בפרק זה נדון בנושאים הקשורים למהות ההתרחשות של התגובות הכימיות.
ננסה להסביר בקצרה מהי אנרגיה של חומר מסוים, ואיך ניתן להשוות בין כמויות אנרגיה של חומרים שונים.

בעיקר נלמד להתייחס לשינויי האנרגיה החלים בתהליכים שונים, לחשב אותם, להשוות בין שינויי האנרגיה השונים החלים בתהליכים שונים, ולראות את הקשר ביניהם.

נכיר מספר שיטות לחישוב שינויי אנרגיה. נלמד להכיר את חוקי הבסיס הקשורים לאנרגיה, בפרק הקרוי תרמודינאמיקה, ולהבין איך ניתן בעזרת חישובים תאורטיים לדעת האם תהליכים מתרחשים או לא מתרחשים.

בנוסף לכך, נלמד על קצב / מהירות התרחשות התהליכים, ועל הגורמים המשפיעים על קצב התרחשות התהליכים.
נכיר את מהותו של המושג שיווי משקל כימי, וכן תופעות הקשורות לתהליכים הקשורים להיבט זה.

אז מהי אנרגיה?

ראשית, אנרגיה שונה מהרבה מאוד גדלים אחרים, כמו מסה או נפח, שהם יותר מוחשיים לנו וקלים יותר למדידה.
ישנן הגדרות שונות לאנרגיה – היכולת לספק חום, או היכולת לבצע עבודה, או היכולת לבצע תהליכים וישנן עוד הגדרות .

כשמתייחסים לחומרים כימיים שונים ורוצים לדעת כמה אנרגיה יש להם נצטרך להתייחס לאנרגיה של הקשרים שלהם ולאנרגיה הנובעת מהתנועה שלהם.
האנרגיה שמתייחסת לקשרים של החומרים, מתקשרת לאנרגיה הפוטנציאלית שלהם.
אילו האנרגיה הקשורה לתנועה שלהם מתקשרת לאנרגיה הקינטית של החומרים.
הערך הכולל של האנרגיה הפוטנציאלית והאנרגיה הקינטית הוא האנרגיה הפנימית של החומר .
נציין שבדיוננו זה אנו מתייחסים לחומרים מולקולריים בעיקר.

בפרק זה לא נרחיב את הדיון לגבי האנרגיה הפוטנציאלית של החומר. עלינו לדעת שהיא מהווה אחד משני מרכיבים של האנרגיה הפנימית . המרכיב השני הוא האנרגיה הקינטית ועליו נרחיב כעת.
אנרגיה קינטית היא האנרגיה הקשורה לתנועתם של החלקיקים . ישנה נוסחה שבעזרתה ניתן לחשב את האנרגיה הקינטית של חלקיק:

Ek=mV^2/2

אנו לא נחשב בפרק זה את גודל האנרגיה הקינטית ( Ek) של חלקיק מסוים, אבל נוכל להבין מהנוסחה מה משפיע על גודלה של האנרגיה הקינטית שלו.
ראשית היא תלויה במהירות החלקיק (v), ושנית היא תלויה במסה שלו (m) .
היות ומדובר בהרבה מאוד חלקיקים בו זמנית, וחלקיקי החומר לא נעים באותה המהירות, אנו נוהגים להתייחס למהירות הממוצעת של חלקיקי החומר, שהיא תלויה באנרגיה הקינטית הממוצעת של חלקיקי החומר .
ניתן לומר, שככל שהאנרגיה הקינטית הממוצעת של חלקיקי החומר גדולה יותר אז המהירות הממוצעת של חלקיקי החומר גדולה יותר ולהפך.
וניתן גם לומר שככל שחלקיקי החומר זזים מהר יותר (מהירות התנועה הממוצעת של חלקיקי החומר גדולה יותר) אז האנרגיה הקינטית הממוצעת שלהם גדולה יותר ולהפך.

הביטוי החיצוני / המקרוסקופי / הנמדד לכך שלחלקיקי החומר יש אנרגיה קינטית ממוצעת גדולה יותר (שחלקיקי החומר בעלי מהירות תנועה ממוצעת גדולה יותר), או אנרגיה קינטית ממוצעת קטנה יותר (שחלקיקי החומר בעלי מהירות תנועה ממוצעת קטנה יותר) הוא טמפרטורת החומר.

ככל שטמפרטורת החומר הנמדדת גבוהה יותר, ניתן לומר שלחלקיקי החומר אנרגיה קינטית ממוצעת גדולה יותר, או ניתן לומר שחלקיקי החומר נעים במהירות ממוצעת גדולה יותר. ולהיפך ככל שטמפרטורת החומר הנמדדת קטנה יותר, ניתן לומר שלחלקיקי החומר אנרגיה קינטית ממוצעת קטנה יותר או ניתן לומר שחלקיקי החומר נעים במהירות ממוצעת קטנה יותר.

האנרגיה הקינטית הכוללת של החומר תלויה גם במסת החומר. ככל שהמסה גדולה יותר כך גם האנרגיה הקינטית הכוללת שלו תהיה גדול יותר ולהיפך.

ניתן לסכם זאת בתרשים:

אנרגיה פנימית של חומר תרשים

בואו נראה שתי דוגמאות הקשורות לנושא:

  1. נתונים שני כלים המכילים אותה מסה של אותו נוזל.
    בכלי I טמפרטורת הנוזל היא 20°C.
    בכלי II טמפרטורת הנוזל היא 50°C.
    באיזה כלי האנרגיה הקינטית הכוללת גדולה יותר?תשובה: בכלי שבו הטמפרטורה גבוהה יותר.
    שני הכלים מכילים אותה מסה של נוזל, אבל לכל חלקיק בממוצע בכלי II יש אנרגיה קינטית גדולה יותר, כי טמפרטורת הנוזל גבוהה יותר. ולכן, בסה"כ האנרגיה הקינטית בכלי II גדולה יותר.

ניתן לדמות את האנרגיה הקינטית, האנרגיה הקינטית הממוצעת, מספר החלקיקים (המסה), למקרה הבא:
בשתי כיתות נמצאים אותו מספר של תלמידים (אותה מסה), נניח 8 תלמידים בכיתה.
בכיתה ה- I יש בממוצע 5 שקלים (האנרגיה הקינטית הממוצעת), ובכיתה II יש לכל תלמיד 10 שקלים (האנרגיה הקינטית הממוצעת בכיתה השניה).
בכיתה II כמות הכסף הממוצע, המדמה את האנרגיה הקינטית הממוצעת, גדול יותר, כי הטמפרטורה גדולה יותר, והטמפרטורה היא המדד החיצוני לאנרגיה הקינטית הממוצעת. לכן בכיתה I יש סך הכל 40 שקל (שזו האנרגיה הקינטית הכוללת בכיתה זו) ובכיתה II יש 80 שקל (שזו האנרגיה הקינטית הכוללת בכיתה זו).
ניתן לראות שבכיתה II יש יותר כסף בסך הכל (האנרגיה הקינטית הכוללת בכיתה זו גדולה יותר).

כיתה II
מספר ילדים (מסה) 8 8
כסף בממוצע
(אנרגיה קינטית ממוצעת/
טמפרטורה)
5 10
סך כל הכסף
(אנרגיה קינטית כוללת)
40 80

דוגמה נוספת:

  1. נתונים שני כלים A ו-B. בשני הכלים אותו הנוזל שנמצא בטמפרטורה של 20°C.
    בכלי A יש 100 ג' מהנוזל ובכלי B יש 50 ג' מהנוזל.

    1. באיזה כלי האנרגיה הקינטית הממוצעת גדולה יותר?
    2. באיזה כלי האנרגיה הקינטית הכוללת גדולה יותר?

    תשובה:

    1. בשני הכלים אותה אנרגיה קינטית ממוצעת, כי בשני הכלים הנוזל נמצא באותה הטמפרטורה.
    2. בכלי A האנרגיה הקינטית הכוללת גדולה יותר כי בשני הכלים אותה אנרגיה הקינטית הממוצעת שווה (אותה הטמפרטורה), אבל בכלי A מספר החלקיקים / המסה גדולה יותר, ולכן סך כל האנרגיה הקינטית הכוללת בכלי זה יהיה גדול יותר.

ננסה להדגים זאת שוב עם הכסף בשתי הכיתות. הפעם בשתי הכיתות כמות הכסף הממוצע שיש לכל תלמיד שווה (נניח שלכל תלמיד יש 20 שקלים בממוצע), כי הטמפרטורה שווה, אז האנרגיה הקינטית הממוצעת שווה.
אבל מספר התלמידים (המסה) לא שווה, נניח שבכיתה A יש 10 תלמידים ובכיתה B יש 5 תלמידים ולכן:

כיתה A B
מספר ילדים (מסה) 10 5
כסף בממוצע
(אנרגיה קינטית ממוצעת/
טמפרטורה)
20 20
סך כל הכסף
(אנרגיה קינטית כוללת)
200 100
  1. מניחים כוס מים בטמפרטורה של  80°C על השולחן לאחר זמן מה מודדים את הטמפרטורה בכוס והיא 40°C.
    1. האם חלה עליה או ירידה באנרגיה הקינטית הממוצעת של החומר?
    2. האם חלה עליה או ירידה באנרגיה הפנימית של החומר?

    תשובה:

    1. חלה ירידה באנרגיה הקינטית הממוצעת של החומר כי חלה ירידה בטמפרטורת החומר.
    2. חלה ירידה באנרגיה הפנימית של החומר כי חלה ירידה באנרגיה הקינטית הממוצעת של החומר ולכן חלה גם ירידה אנרגיה הקינטית הכוללת של החומר ולכן גם ירידה באנרגיה הפנימית של החומר.

נחזור בהמשך לחישובים מוערכים של האנרגיה הקינטית הכוללת של החומר, ולהערכה של האנרגיה הפנימית.