KİMYA VE ENERJİ

KİMYA VE ENERJİ
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
KİMYA VE ENERJİ
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
KİMYA VE ENERJİ
 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
sistem:
Sistemle
değildir.
 Yalıtılmış
(İzole)
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
KİMYA VE ENERJİ
 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
artırıldığında
gazın
sıcaklığı
basıncı
değişmeyecektir. Açık hava basıncının sabit olduğu bir ortamda
gerçekleşen tepkimenin oluştuğu kap, izobarik sistem olarak
tanımlanabilir.
4
KİMYA VE ENERJİ
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
KİMYA VE ENERJİ
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
KİMYA VE ENERJİ
SORU 3
I.
II.
III.
Kapalı bir şişedeki metan gazı
Bir beherdeki sıcak asit çözeltisi
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
KİMYA VE ENERJİ
SORU 4
I.
Sabit hacimli ve izole bir sistemde oluşan endotermik tepkimede
sistemin sıcaklığı azalır.
II.
III.
Suyun oda koşullarında donması istemlidir.
Açık sistemlerde enerji alışverişi olmaz.
Yukarıda verilenlerden hangisi ya da hangileri doğrudur?
A) Yalnız I
B) I ve II
D) II ve III
C) I ve III
E) I, II ve III
8
KİMYA VE ENERJİ
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.
𝟏
K.E = 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 oC suyla doldurulmuş
9
KİMYA VE ENERJİ
bir küvetin termal enerjisi 80 oC 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
KİMYA VE ENERJİ
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 (H2, F2, NH3 ...) 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
KİMYA VE ENERJİ
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 = Uson – Uilk
SORU 5
I.
II.
III.
Suyun donması
Suyun buharlaşması
Naftalinin süblimleşmesi
Yukarıdaki olaylardan hangilerinde sistemin iç enerjisi artar?
A) Yalnız I
B) Yalnız II
D) I ve III
C) I ve II
E) II ve III
(MEB)
12
KİMYA VE ENERJİ
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
KİMYA VE ENERJİ
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) Cl2
B) CH4
C) He
D) CO2
E) CO
(MEB)
14
KİMYA VE ENERJİ
ISI VE MEKANİK İŞ
Genel anlamda işin (w), kuvvet (F) ve uzaklığın (d) çarpımı olarak ifade
edilir.
w=Fxd
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 (Vs – Vi ) göstermektedir.
15
KİMYA VE ENERJİ
 Gaz genleştiğinde ΔV > 0 olur ve (– P ΔV) negatiftir.
 Gaz sıkıştırıldığında ise ΔV < 0 olur ve
(– PΔV) pozitif bir
büyüklüktür.
 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
KİMYA VE ENERJİ
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
KİMYA VE ENERJİ
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
KİMYA VE ENERJİ
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 =Tson – Tilk şeklinde ifade edilir.
 Sistemin sıcaklığı artarsa (Tson > Tilk ) ∆T nin değeri pozitif olur ve
Q nun pozitif olması ısının sistem tarafından kazanıldığını belirtir.
 Sistemin sıcaklığı azalırsa (Tson < Tilk ) ∆T nin değeri negatif olur
ve Q nun negatif olması ısının açığa çıktığı ya da kaybedildiğini
belirtir.
Enerjinin
korunum
etkileşimlerde
yasası
toplam
enerji
gereği
sabit
sistem
ve
çevresi
kalır
ve
aşağıdaki
arasındaki
biçimde
formüllendirilebilir
Qsistem + Qçevre = 0
Buna göre, sistemin kaybettiği ısı çevresi tarafından kazanılır, çevrenin
kaybettiği ısı sistem tarafından kazanılır Yani,
Qsistem = – Qçevre
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
KİMYA VE ENERJİ
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
KİMYA VE ENERJİ
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
D) II ve III
C) I 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
KİMYA VE ENERJİ
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
E) Yalnız III
D) II ve 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
KİMYA VE ENERJİ
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
D) I ve III
C) I ve II
E) II ve III
(MEB)
23