מושגי יסוד באנרגיה

תוכן עניינים

מהי מערכת ומהי סביבה?

מערכת היא אוסף של פריטים באזור מסוים .

לדוגמה:
א. מערכת השמש מורכבת מהשמש כוכבי הלכת ועוד גושים המסתוססים סביב השמש.
ב. אטום הוא מערכת המורכבת מגרעין ואלקטרונים המסתובבים סביבו
ג. בלון הליום הוא בלון עשוי גומי ובתוכו מספר גדול של אטומי הליום

הגדרת מערכת וסביבה היא סובייקטיבית ותלויה במחקר שלנו כלומר הם הפריטים שבמוקד ההתעניינות שלנו במחקר הספציפי שאנו עוסקים בו. כל שאר הפרטים שאינם מערכת נקראים סביבה.

לדוגמה:

א. בדוגמה של הבלון עם גז הליום, אם אנו מעוניינים בגז הליום בלבד, המערכת היא כל אטומי ההליום שבבלון והסביבה היא הבלון גומי עצמו והאוויר שמחוץ אליו.

 

מהי מערכת פתוחה, סגורה ומבודדת?

ניתן למיין את המערכות על פי יכולת המעבר של מסה ואנרגיה מהמערכת לסביבה ולהיפך.
בטבלה הבאה מתוארות שלושת סוגי המערכת כולל דוגמאות:

 

ב. כוס כימית עם תמיסה מימית  מלח (NaCl). נניח שאנחנו מעוניינים בתהליך ההמסה של המלח במים, המערכת מורכבת מכל החומרים המעורבים בתהליך: המלח המוצק (כל עוד היא קיימת ), היונים של כלור ונתרן ומולקולות המים הקשורים ליונים (מולקולות המים הממימים את היונים). כל השאר הוא סביבה: שאר מולקולות המים שבתמיסה, הזכוכית של הכוס והאוויר מעל התמיסה וסביב הכוס.

NaCl(s)     H2O>   Na+(aq)   + Cl(aq)n

כל המרכיבים בתגובה הם מערכת: המלח המוצק, היונים הממויימים, מולקולות המים הקשורות ליונים.
הסביבה היא כל שאר החלקיקים שאינם משתתפים בתגובה: מולקולות המים בתמיסה שאינן קשורות ליוני הנתרן והכלור, הזכוכית ממנה עשויה הכוס, האויר סביב הכוס וכל דבר שיכול להשפיע על המערכת כגון מד טמפרטורה, פלטה חשמלית וכדומה.

מהי אנרגיה של מערכת?

אנרגיה היא תכונה של מערכת המתבטאת ביכולת של המערכת לחמם מערכת אחרת או לבצע עבודה על מערכת אחרת.

  • חימום: העלאת הטמפרטורה
  • ביצוע עבודה: יכולת הרמה של מסה כלשהי :

עבודה = כוח x מרחק

W = F · d

דוגמה פשוטה להבנה של עבודה היא עבודת התפשטות כגון תנועה של הבוכנה במנוע מכונית (צפה בסרטון הרצ"ב)

סרטון על מושגים בסיסיים: מערכת, כוח ואנרגיה

אנרגיה של מערכת לא ניתנת למדידה אך שינוי אנרגיה כן!

"התבטאות" של אנרגיית המערכת שונה מאנרגיית המערכת עצמה!
 ה"התבטאות" של אנרגיית המערכת היא השינוי באנרגיה שעברה או העבודה שנעשתה על המערכת השנייה ( ΔE )  .
כתוצאה ממעבר האנרגיה או ביצוע העבודה,  האנרגיה של המערכת יורדת באותו שיעור: ΔE

האות היוונית דלטה (Δ) מסמנת שינוי

E מסמן אנרגיה.

בעוד ש"התבטאות" האנרגיה של המערכת, כלומר השינוי ΔE ניתנת למדידה, האנרגיה עצמה של המערכת (סופיE  ו-התחלתי E) לא ניתנת למדידה ונשאר כערך נעלם או אצור בחומר!

כל שינוי של גודל בתרמודינמיקה הוא מוגדר כהפרש בין הגודל במצב הסופי של המערכת לגודל במצב ההתחלתי של המערכת ולכן השינוי באנרגיית המערכת כתוצאה ממעבר חום או ביצוע עבודה הוא:

ΔE = Eסופי – Eהתחלתי

כשם שמערכת יכולה להעביר אנרגיה בצורת חום (שינוי טמפרטורה) למערכת אחרת  או בצורת ביצוע עבודה (הרמת מסה) על מערכת אחרת, כך גם מערכת אחרת יכולה לחמם את המערכת שלנו או לבצע עבודה על המערכת שלנו.

תיאור גרפי של שינוי אנרגיה של מערכת

אפשר לתאר את שינוי האנרגיה של המערכת בצורה גרפית. נניח התגובה הכללית הבאה:

A + B → C + D

התיאור הבא מתאר את התגובה ושינוי האנרגיה שבה:

שימו לב!
החץ הוא חץ התגובה ומסמן רק מיהם המגיבים והתוצרים.

ΔE  הוא שינוי האנרגיה של המערכת והיא שווה לאנרגיה שעברה מהמערכת לסביבה או מהסביבה למערכת בצורה של חום (Q) או עבודה (W).

ΔE = Q + W

בדוגמה של מנוע המכונית, התגובה היא שריפת הדלק, אנרגיית החום היא האנרגיה הגורמת לחימום המנוע וסביבתו והעבודה היא סיבוב הגלגלים המופק מהמנוע.

מהן אנרגיה קינטית, אנרגיה פוטנציאלית ואנרגיה פנימית של מערכת?

אנו מעוניינים במערכות המורכבות ממספר רב של חלקיקים כגון בלון הליום או כוס כימית עם תמיסה מסוימת.

אנרגית המערכת היא סכום אנרגית החלקיקים המרכיבים אותה.

כאשר אנו מתבוננים בחלקיק כגון מולקולת מים, נוכל להבדיל בין שני סוגי אנרגיה: האנרגיה הקשורה לתנועת החלקיק והאנרגיה הקשורה לקשרים שבין החלקיקים.

 

מהי אנרגיה קינטית של מערכת?

במקרה של מולקולת המים בצבר  נוזלי (כוס המכילה מים נוזליים) האנרגיה הקינטית של המולקולה נובעת מתנועת הסיבוב, תנועת התנודה ותנועה של החלקה על גבי המולקולות השכנות שלה.
האנרגיה הפוטנציאלית של המולקולה קשורה לאנרגית הקשרים שלה:
א. הקשרים הקוולנטיים בין האטומים שלה
ב. הקשרים הבין מולקולריים (קשרי מימן ואינטראקציות ואן דר ואלס) עם מולקולות שכנות.

בצבר (אוסף גדול של חלקיקים), יש מספר רב של מולקולות, כל אחת עם אנרגיה קינטית ופוטנציאלית קצת שונה אחת מהשנייה.

האנרגיה הקינטית של המערכת היא סכום אנרגיות הקינטיות של כל המולקולות והאנרגיה הפוטנציאלית של המערכת היא סכום כל האנרגיות הפוטנציאליות של המולקולות.

נניח שיש בכוס מים N מולקולות של מים, ניתן לרשום את האנרגיה הקינטית והפוטנציאלית של המערכת כסכום האנרגיות של כל המולקולות:

מהי טמפרטורה של מערכת?

טמפרטורה היא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת של המערכת

טמפרטורה היא גודל שאינו תלוי בכמות החומר: מספר החלקיקים או המסה בשונה מהאנרגיה של המערכת.

האנרגיה הקינטית הממוצעת של מערכת ניתנת על ידי הנוסחה:

ניתן לתאר התפלגות של אנרגיה קינטית בין חלקיקי המערכת. מתקבלת גרף בצורת פעמון (ראה ציור הבא). האנרגיה הקינטית הממוצע של המערכת היא ערך קרוב למקסימום הפעמון.

השטח מתחת לפעמון הוא סה"כ האנרגיה הקינטית של המערכת.

כאשר הטמפרטורה עולה פעמון ההתפלגות זז ימינה וכך גם אנרגיה הקינטית הממוצעת. תיאור זה יעזור לנו להבין תופעות אחרות בהמשך.

מהי אנרגיה פוטנציאלית של מערכת?

האנרגיה הפוטנציאלית של המולקולה קשורה לאנרגית הקשרים שלה:
א. הקשרים הקוולנטיים בין האטומים שלה
ב. הקשרים הבין מולקולריים (קשרי מימן ואינטראקציות ואן דר ואלס) עם מולקולות שכנות.

אנו יודעים שבתגובה כימית, חלק מהקשרים במגיבים נשברים ונוצרים קשרים חדשים בתוצרים.
על מנת שיישברו קשרים כימיים נדרשת קליטה של אנרגיית הקשרים הללו. אנרגיה זו נכנסת למערכת (חלקיקי המגיבים) כקליטת אנרגיה קינטית ההופכת לאנרגיה פוטנציאלית (הפרדת שני אטומים שהיו קודם קשורים ובסוף הם מופרדים)

מצד שני, הווצרות קשרים חדשים בתוצרים היא הפיכת אנרגיה פוטנציאלית של שני אטומים שהיו מופרדים ומתחברים, לאנרגיה קינטית של חלקיקי הסביבה. 

נתן לתאר את תהליך שינויי האנרגיה הנ"ל בצורה גרפית על ידי התבוננות בבור הפוטנציאל של הקשר הקוולנטי (ראה הציור הבא).

תזכורת: שינויי אנרגיה בתהליך שבירת קשר קוולנטי ובנייתו

החץ הכחול מסמן שבירת הקשר הקוולנטי(התרחקות של האטומים). המערכת עוברת מאנרגיה פוטנציאלית נמוכה לגבוהה תוך קליטת אנרגיה קינטית מהסביבה.
החץ האדום מתאר יצירת הקשר משני האטומים. המערכת עוברת מאנרגיה פוטנציאלית גבוהה לאנרגיה פוטנציאלית נמוכה תוך פליטת אנרגיה ההופכת לאנרגיה קינטית של הסביבה

מהי אנרגיה פנימית של מערכת?

האנרגיה הפנימית של מערכת היא הסכום של האנרגיה הקינטית והאנרגיה הפוטנציאלית של המערכת:

Eפנימית = Eקינטית + Eפוטנציאלית

האנרגיה הפנימית היא האנרגיה הכוללת של המערכת והיא האנרגיה שאנו מעוניינים בה בתהליכים כימיים.

גודל זה בדומה לאנרגיה קינטית ולאנרגיה הפוטנציאלית, תלוי בכמות החומר במערכת (מסת המערכת, מספר המולים של חלקיקים).

בכימיה נהוג להשתמש בדוגל אנתלפיה של מערכת במקום במונח אנרגיה פנימית כפי שנראה בהמשך.

מהי תגובה אֶקסותרמית ואֶנדותרמית?

כאשר תגובה כימית פולטת אנרגיה לסביבה התגובה נקראת אֶקסותרמית וכאשר התגובה הכימית קולטת אנרגיה מהסביבה, התגובה נקראת אֶנדותרמית.

אֶקסו = exit  ≈ exo  = יציאת אנרגיה מהמערכת

אֶנדו = in  ≈ endo  = כניסת אנרגיה למערכת

להלן תיאור גרפי של תגובה אקסותרמית ואנדותרמית:
נניח התגובה הכללית הבאה:

A + B → C + D

יש שני תיאורים גרפיים אפשריים על פי סימן שינוי האנרגיה הפנימית של המערכת: 

 

דוגמה תיארו בצורה גרפית את התגובות הבאות: 

CuCl2(s)    H2O(l)     >   Cu2+(aq)  +   2Cl(aq)     ΔE = -64.3 kJ/mol

 KCl(s)    H2O(l)     >   K+(aq)  +   Cl(aq)     ΔE = 17.2 kJ/mol

 

טריק הסביבה בתמיסות: איך מזהים תגובה אנדותרמית או אקסותרמי?

תגובה אנדותרמית מקררת את הסביבה בעוד שתגובה אקסותרמית מחממת את הסביבה!

הסיבה: בתגובה אנדותרמית המערכת קולטת אנרגיה מהסביבה ולכן טמפרטורת הסביבה (שהיא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת) יורדת (קירור) ולהיפך: בתגובה אקסותרמית אנרגיה נפלטת מהמערכת לסביבה ולכן טמפרטורת הסביבה (שהיא מדד לאנרגיה קינטית של הסביבה) עולה (חימום).

 

הקושי הוא במערכות מעורבות עם הסביבה (טריק הסביבה בתמיסה). במקרה של תגובה בתמיסה (תערובת הומוגנית) המערכת והסביבה מעורבים ולכן בתגובה אקסותרמית טמפרטורת התמיסה עולה למרות שהתגובה פולטת אנרגיה לסביבה. ולהיפך בתגובה אנדותרמית.

ההסב ברמת המיקרו: חלקיקי התגובה מעבירים את האנרגיה לחלקיקי הממס ולכן כל התמיסה (כולל המערכת והסביבה) עולים בטמפרטורה בתגובה אקסותרמית.

בתגובה אנדותרמית, חלקיקי המגיבים קולטים אנרגיה מחלקיקי הממס ולכן כל הטנמפרטורה של המיסה יורדת למרות שנקלטת אנרגיה למערכת.

לאן תישתנה הטמפרטורה?

הטמפרטורה תרד, כי התגובה אנדותרמית (ΔE = 3.88 kJ/mol)ולכן המערכת (היונים) קולטת את האנרגיה מהסביבה (חלקיקי המים) לכן המים מתקררים. 

מה זה אנתלפיה של מערכת ושינוי אנתלפיה של תגובה?

רוב התגובות הכימיות מתרחשות במערכות פתוחות בלחץ קבוע, לדוגמה תגובות חומצה ובסיס בכוס כימית פתוחה במעבדה (הלחץ הוא 1 אטמוספירה). במערכות כאלה, בנוסף לפליטה או קליטה של אנרגיה בצורת חום (Q), מתבצעת עבודה (W) כנגד האוויר שמעל הכוס במקרה ויש פליטת גזים מהתגובה (הגז הנפלט מהתגובה דוחף את האוויר מעל הכוס כאילו הוא הבוכנה שבצילינדר).

אם כך, שינוי האנרגיה הפנימית שונה מ-Q (אנרגיה בצורת חום):

ΔEפנימית = Q + W

היות וקל למדוד Q בתגובות כימיות, עדיף להשתמש בגודל המבטא את שינוי האנרגיה של התגובה והוא שווה בדיוק לאנרגיה בצורת חום הנפלטת או נקלטת בתגובה.

גודל זה נקרא "אנתלפיה" H והוא בעל יחידות של אנרגיה כמו האנרגיה הפנימית של המערכת.

שינוי האנתלפיה של תגובה בלחץ קבוע שווה לאנרגייה בצורת חום (Q) שנפלטת או נקלטת בתגובה:

ΔH = Q

מכאן והלה נדבר אך ורק על שינויי אנתלפיה של התגובה כפי שדיברנו עד כה על שינוי אנרגיה פנימית של התגובה.

היחידות של ΔH של תגובה הן kJ/mol מכיוון שבתגובה חייבים להתיחס למספר המולים של מגיבים שהגיבו או תוצרים שנוצרו. 

דוגמה:

תגובת חמצן עם מימן ליצירת מים היא תגובה אקסותרמית. להלן ניסוח התגובה ותיאור הגרפי שלה:

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)    ΔH = -571.6 kJ/mol

משמעות הדבר היא: בתגובה של מימן וחמצן במצב גז ליצירת מים במצב נוזל נפלטת אנרגיה בצורת חום של 571.6 קילוג'אול על כל שני מולים של מימן שהגיבו  ועל כל מול של חמצן שהגיב ועל כל שני מולים של מים שנוצרו.

הדרך לסמן זאת היא ΔH = -571.6 kJ/mol כאשר מתיחסים למקדמים הסטוכיומטרים כדי להבין על כמה מול של כל אחד ממרכיבי התגובה (מגיבים או תוצרים) נפלטת האנרגיה המצויינת בקילוג'אול.

שימו לב: בספרים ומבחנים מסוימים, מציינים את יחידות ΔH כ-kJ בלבד (ללא ציון מול) כדי למנוע בלבול אצל התלמידים.

להלן התיאור הגרפי של התגובה הנ"ל:

תרגול

  1. מערכת היא אוסף של פריטים אשר במוקד ההתעניינות שלנו וסביבה היא כל דבר שאיננו מערכת.

 לדוגמה, אנו מעוניינים בתהליך הרתיחה של תמיסה מימית של מלח NaCl ולשם כך אנו מחממים כוס כימית פתוחה לאוויר עם תמיסה מימית של מלח בעזרת גזיית גז בוטאן (C4H10).

מהו ההיגד הנכון

א. הכוס והתמיסה הם המערכת בעוד שהאויר, הגז הבוער והגזיה הם הסביבה
ב. התמיסה המימית היא המערכת בעוד שהכוס, האויר, הגז הבוער והגזיה הם הסביבה
ג. המלח המוצק, יוני הנתרן והכלור ומולקולות המים הממימים את היונים הם המערכת והמים האחרים, הכוס, האויר, הגז הבוער והגזיה הם הסביבה
ד. רק המים הממיסים את המלח הם המערכת וכל השאר סביבה

  1. בחרו במילים הנכונות מבין המילים המודגשות (רק אפשרות אחת היא נכונה)

א. אנרגיה של מערכת היא תכונה של המערכת שיכולה להתבטא כ-חימום בלבד של / עבודה בלבד על / חימום של ו/או עבודה על מערכת אחרת.

אנרגיית המערכת היא האנרגיה הפנימית של המערכת והיא סכום האנרגיה הקינטית של החלקיקים בלבד/סכום האנרגיה הפוטנציאלית של החלקיקים בלבד/ סכום האנרגיה הקינטית והפוטנציאלית של החלקיקים.

ב. האנרגיה הקינטית והאנרגיה הפוטנציאלית של המערכת הוא גודל ש תלוי/לא תלוי במסת המערכת. ככל שלמערכת יש יותר חלקיקים, האנרגיה הקינטית והפוטנציאלית יותר גדלות/קטנות/לא משתנות.

הטמפרטורה היא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת/לאנרגיה הקינטית/לאנרגיה הפוטנציאלית/ האנרגיה הפנימית של המערכת.

הטמפרטורה משתנה/לא משתנה עם מסת המדגם, כלומר הוא גודל שתלוי/לא תלוי במספר החלקיקים שבמדגם.

ג. לדוגמה: נתונים שני מדגמים: מדגם A: 1 ל' שמן ומדגם :B 10ל' שמן בעלי אותה אנרגיה קינטית ממוצעת. ניתן להגיד שלמדגם A יש טמפרטורה גבוה/ שווה/ נמוכה מאשר למדגם B.

ד. נתונים שני מדגמים של גז בטמפרטורת החדר. לאחד מהם 1 מול חלקיקי גז ולשני 3 מול חלקיקי גז. אפשר להגיד בוודאות שלמדגם הראשון אנרגיה קינטית ממוצעת גדולה/קטנה/שווה לזו של המדגם השני.

. 3.  נתונים שלושה כלים (5 נק'):

כלי A ובו 1 ליטר מים בטמפרטורה של 30°C

כלי B ובו 0.5 ליטר מים בטמפרטורה של 60°C

כלי C ובו 0.5 ליטר מים בטמפרטורה של 30°C

מהו המשפט הנכון מבין הבאים?

א. האנרגיה הפנימית של המים בכלי C שווה לאנרגיה הפנימית של המים בכלי A.

ב. האנרגיה הקינטית הממוצעת של מולקולות המים בכלי A גבוהה מאשר האנרגיה הקינטית הממוצעת של מולקולות המים בכליC   .

ג. האנרגיה הפנימית של המים בכלי A גדולה מהאנרגיה הפנימית של המים בכלי C.

ד. כאשר נערבב את המים מהכלים B ו- C נקבל 1 ליטר מים בטמפרטורה של 90°C

  1. נתונות 3 עקומות המתארות התפלגות האנרגיה הקינטית של 3 מערכות בעלות אותה תרכובת. ליד כל עקומה מסומנות הטמפרטורות שלהן ובציר האנרגיה צוינו האנרגיה הקינטית הממוצעת של מערכת 1 ו-2.

נתון שהאנרגיה הקינטית הממוצעת של המערכת 3 זהה לזו של המערכת 1.

מהו ההיגד הנכון?

א.      T1>T3>T

ב.     T1<T3<T2

ג.      T1=T3<T2

ד.     T1<T3=T2

ה.    T1=T3>T2

ו.     T1>T3=T2

5. בהמשך לשאלה 4, מהו ההיגד הנכון?

א. האנרגיה הקינטית של מערכת 1 שווה לזו של מערכת 2
ב. האנרגיה הפנימית של מערכת 1 שווה לזו של מערכת 2 
ג. מספר החלקיקים במערכת 3 קטן ממספר החלקיקים במערכת 2
ד. אף אחת מהמשפטים אינו נכון

6. להלן ניסוח תגובה הידועה כתגובה אנדותרמית

N2(g) + O2(g) →2NO(g)n

 

נתונים מספר ערכי H∆ ומספר תיאורים גרפיים.

בחרו את ערך ה-H∆ ותיאור הגרפי המתאימים לתגובה הנ"ל

     H = +180.5 kJ . A∆

    H = -180.5 kJ   .B∆

התשובה הנכונה היא:

א. A1
ב. A2
ג. A3
ד. A4
ה. B1
ו. B2
ז. B3
ח. B4

7. יצירת המלח אמון כלורי NH4Cl מיסודותיו הוא תהליך בו נפלטים   b314.4 kJ  על כל מול של המלח הנוצר.

להלן ניסוח של שתי תגובות, שני ערכי H∆ המתאימים לשתי התגובות הללו ומספר תיאורים גרפיים (הניחו שציר האנתלפיה אותו ציר עבור שתי התגובות).
התאימו לכל תגובה את ערך ה- H∆ והתיאור הגרפי שלה.

     H = – 628.86 kJ . A∆

    H = -176.0 kJ   .B∆

(1)  N2(g) + 4H2(g) + Cl2(g)  → 2NH4Cl(s)n

(2)  NH3(g) + HCl(g)   → NH4Cl(s)n

א. A(1)-4

ב. A(1)-3

ג. B(1)-3

ד. A(2)-1

ה. B(2)-1

ו. B(2)-2

ז. B(1)-4

ח. A(1)-1