تعريف التغير في المحتوى الحراري

التغير في المحتوى الحراري

القيمة المعادلة لتغير في الحرارة تقرب عادة من الفرق بين الطاقة المستخدمة لكسر الروابط الكيميائية في التفاعل والطاقة المكتسبة من تشكيل روابط كيميائية جديدة في التفاعل .

يشير تغير الطاقة فينظام ثابت الضغط إلى تغير المحتوى الحراري بواسطة قيمة ΔH، حيث تمثل ΔH الطاقة الداخلية المضافة إلى النظام بالإضافة إلى العمل الذي يقوم به النظام على محيطه من خلال ضغطه.

تعريف الانثالبي والانتروبي

• الانثالبي أو المحتوى الحراري

وهو يمثل التغيير الحراري الناتج من التفاعل تحت ضغط، ويعد مقدار الطاقة الفائتة أو المكتسبة أثناء التفاعل، ويفضل حدوث التفاعل عند انخفاض محتوى الحرارة .

•  الانتروبي

يشير هذا المصطلح إلى مدى التشوه أو الاضطراب في النظام الديناميكي الحراري الذي يحدث بطريقة عفوية، ويتوقع زيادة الانتروبيا في النظام الذي يخضع لعملية كيميائية، ويتم قياس كمية الطاقة المتحررة في أي تفاعل كيميائي عن طريق طاقة جبس الحرارة .

العلاقة بين المحتوى الحراري والانتروبيا

لتحديد العلاقة بين الانتروبيا والحرارة ، نحتاج إلى معرفة الطاقة الحرة للجبس والتي تُستخدم لقياس كمية الطاقة التي تنتج عن التفاعل الكيميائي، حيث تتوقف التفاعلات الكيميائية على درجات حرارة معينة لنجاحها .

وتفشل في أخرى وتكون قيم طاقة جيبس الحرة صالحة فقط في درجة حرارة 25 درجة مئوية وإلى تعادل 298.15 كليفن ، ويتم تعريف G على أنه الفرق بين مجموع الطاقة الحرة لقيم تكوين المواد المتفاعلة والمنتجات تفاعل ΔG = منتجات ΣΔG – متفاعلات G أو مبسط ΔG = ΣΔG – ΔΣG موجبا وإن كان تلقائيا فيكون الناتج سالبا.

يجب ملاحظة أن العفوية لا تعني بالضرورة استمرار التفاعل المحدد بمعدل مرتفع، فقد يستغرق الرد التلقائي للتفاعل وقتًا طويلًا مثلما يحدث في صدى المعادن .

بتطبيق الحرارة والإنتروبيا، يمكننا تحديد العلاقة بين القيمتين والتي يمكن تمثيلها بمعادلة ناجحة، وذلك إذا تم قياس درجة الحرارة بوحدة الكلفن .

يتم تحويل درجة الحرارة من مئوية إلى كلفن عن طريق إضافة 273.15، ويتم تحويل التفاعل إلى وحدات كلفن وكيلوجول، وتعتبر القيمة المحسوبة للطاقة الحرة (جيبس) قيمة تقريبية خاصةً إذا تحركت درجة الحرارة عن 25 درجة مئوية .

علم الكيمياء الحرارية

الكيمياء الحرارية هي فرع من فروع الديناميكا الحرارية، وتهتم بدراسة الحرارة التي تنبعث أو تمتصها نتيجة التفاعلات الكيميائية. يستخدم العلماء والمهندسون الكيمياء الحرارية بشكل واسع، وتعتبر التفاعلات الكيميائية في حياتنا ذات أهمية كبيرة  .

يتم استخدام الكيمياء الحرارية من قبل المهندسين الكيميائيين لتصميم وإنشاء المصانع، وذلك لفهم وشرح الكيمياء الحيوية ،
تتضمن الكيمياء الحرارية تفاعلات لتحويل مجموعة من المواد التي تطلق عليها اسم المواد المتفاعلة إلى مجموعة أخرى من المواد المعروفة باسم المنتجات، كما هو الحال في التفاعل الكيميائي التالي:

المواد المتفاعله: الميثان CH4 ، والاكسجين الجزئي 02

المنتجات: غاز ثاني أكسيد الكربون CO2 والماء السائل H2O

CH2+2O2 CO2+2H2O

يطلق على تفاعل غاز ثاني أكسيد الكربون والأكسجين الذي ينتج عنه ثاني أكسيد الكربون والماء باسم تفاعل الاحتراق، وذلك لأن الغاز الطبيعي الذي يحتوي على الميثان هو العنصر الرئيسي فيه .

من المتوقع أن يتم تحرير الحرارة نتيجة لهذا التفاعل، وتسمى هذه التفاعلات التي تنتج حرارة بالتفاعلات الطاردة للحرارة، أما التفاعلات التي لا تنتج حرارة فتسمى بالتفاعلات الماصة للحرارة .

وتعتمد الحرارة المصاحبة لأي تفاعل كيميائي على عنصري الضغط والحرارة حتي يتم بهم التفاعل ، وفي التفاعلات الكيمائية التي يشملها الشرح قد تمت في ظروف قياسية درجة الحرارة فيها 298 كليفن أي 24.85 درجة مئوية وضغط يبلغ واحد بار ، ويذكر أن كمية الحرارة المنبعثة من التفاعل تعتمد على المادة التي تدخل التفاعل .

تعتمد الكيمياء الحرارية على الحالة الفيزيائية للمادة المستخدمة في التفاعل، فعلى سبيل المثال، عند تكوين الماء في شكله الغازي، تم تحرير حرارة بمقدار 890 كيلوجول وفقًا للمعادلة المذكورة .

تم تحرير 802 كيلو جول من الحرارة في التفاعل الأول لجعله ناجحًا، والحرارة التي تم إطلاقها هي فقط 802 كيلو جول .

حساب التغير في المحتوى الحراري

يتم امتصاص الحرارة أو إطلاقها خلال أي تفاعل كيميائي، ويحدث تبادل حراري بين التفاعل الكيميائي وبيئته، ويشار إليه باسم المحتوى الحراري للتفاعل، ويرمز له باستخدام الرمز H .

ولم يتمكن العلماء من قياس الطاقة الحرارية للتفاعل مباشرة، لذلك يقومون بتحديد التغير الفعلي في درجة حرارة التفاعل مع مرور الوقت، ومن خلال ذلك يتم قياس التغير في الطاقة الحرارية مع مرور الوقت أيضا ويرمز لها بـ H. وباستخدام ذلك، يمكن للعلماء تحديد ما إذا كان التفاعل يطلق الحرارة أو يمتصها .

حل مشاكل المحتوى الحراري

•  يتم تحديد المواد المتفاعلة ومنتجات التفاعل أولاً لإيجاد H
•  نقوم بتحديد الكتلة الكلية للمواد المتفاعلة وإن لم يتم ايجاد الكتلة الفعلية نستخدم بدل منها الكتلة المولية وهى الكتل الثابتة والموجودة في الجداول الدورية القياسية للعناصر الفردية ، وتكون موجودة أيضا في موارد الكيمياء الأخرى للجزيئات والمركبات ، ويمكن معرفة الكتلة الكلية بضرب الكتلة المولية للمادة المفتعلة في عدد المولات المستخدمة .
•  تحدد الحرارة المحددة للمواد المتفاعلة بناءً على قيمة الحرارة المحددة لكل عنصر أو جزء .
•  نحدد الفرق في درجة الحرارة بعد التفاعل لنجد بعدها التغير في درجة الحرارة من قبل التفاعل وإلى ما بعد التفاعل لنطرح بعدها درجة الحرارة التفاعل T1 من درجة الحرارة النهائية T2 ولحساب هذه القيمة يجب استخدام درجة حرارة كلفن K ومثالا على ذلك: نفترض أن رد فعلنا الأول كان 185 الف وتم تبريده إلى 95 ألف فيكون حساب T =
  T2 – T1 = 95 k – 185 k = -90 k
•  نستخدم الصيغة H = M X S X T
  بعد الحصول على كتلة المواد المتفاعلة M، وتحديد الحرارة النوعية لـ M، ومعرفة تغير درجة الحرارة T، يمكننا حساب المحتوى الحراري للتفاعل من خلال إدخال جميع القيم المذكورة في المعادلة الموضحة في الشرح ويكون الناتج بوحدة الجول J .
•  يتم تحديد ما إذا كان الفعل المذكور يكسب طاقة أميفقد طاقة .
  فأن الأسباب الأكثر انتشارا لحساب H للتفاعلات المختلفة هو تحديد ما إذا كان لتفاعل طاردا للحرارة أم ماصا للحرارة ، فإن كان ناتج H النهائي موجبا فالتفاعل يكون ماصا للحرارة أما لو كان الناتج بالسالب فالتفاعل يكون طاردا للحرارة ، وكلما زاد الرقم تزداد مع الحرارة ويجب الحذر من التفاعلات الطاردة للحرارة فقد تؤدى إلى انفجار أن كان إطلاق الطاقة فيها يسير بشكل كبير وسريع .

تقدير المحتوى الحراري

يشمل كل تفاعل كيميائي تشكيل أو تكسير روابط بين الذرات، فليس من الممكن تشكيل أو تكسير الطاقة خلال التفاعل الكيميائي. وبناءً على ذلك، يمكن حساب الطاقة المطلوبة لتشكيل أو تكسير الروابط التي يتم تشكيلها أو تكسيرها .

يمكن تقدير التغيير في الحرارة الكلية عن طريق جمع طاقات الرابطة، وعلى سبيل المثال

التفاعل2HF H2 + F2 وفى هذه الحالة الطاقة المطلوبة لتفكيك ذرات H في جزئ H2 هي 436 كيلو جول / مول ، بينما الطاقة المطلوبة ل F2 هي 158 كيلو جول / مول والطاقة اللازمة HF من H و F = 568 كيلو جول / مول ضرب 2 يكن الناتج 2 X 568 = 1136 كيلو جول / مول وبجمع كل هذا ينتج 1136- + 158 + 436 = -542 كيلو جول/ مول .