第二節 化學反應中的能量守恆
體系與外界

體系是指在宇宙中我們所集中研究的某一特定範圍,這個範圍是有明確的邊界限制的。

外界則是指宇宙中所有在體系範圍之外的事物。

簡單來講:要研究甚麽,甚麽就是體系;除了體系以外的所有事物都是外界。

根據右側互動中的指引,將「體系」與「外界」的標籤拖放到畫面上適當的位置。

體系與外界
化學反應中的體系

爲了研究無水硫酸銅(II) 溶解過程的熱變化,一名學生向裝有無水硫酸銅(II) 的試管中注入適量的水,並使之完全溶解。此時,用手觸摸試管外壁,就會發現試管壁發熱。根據描述判斷,以下哪項不屬於被研究的體系?

無水硫酸銅(II)

注入試管中的水

生成的硫酸銅(II) 溶液

握住試管的手

題解:

握住試管的手是感應反應過程中溫度變化的媒介,與化學反應過程無關,不屬於被研究的體系。

化學反應的體系與外界
恆壓體系與恒體積體系

當我們要研究某一特定的化學反應時,這個化學反應就是體系。有兩種常見的化學反應體系:恒壓體系和恒體積體系。

  • 恒壓體系是指化學反應在敞開或者有活塞的容器中進行。反應過程中,體系的實際容積會隨著體系中氣體摩爾數的變化而變化,而體系的壓強不會發生變化。
  • 恒體積體系是指化學反應在密閉容器中進行。反應過程中,體系的容積不會發生變化,體系的壓強會隨著體系內氣體摩爾數的變化而變化。
恆壓體系與恒體積體系
恆壓體系與恒體積體系的比較

相同的化學反應,在恒壓體系或者恒體積體系中進行,會有甚麼不同呢?仔細觀察右側的動畫並回答下面的問題。

相同之處

比較兩個反應體系,有哪些相同的之處?

產生氣體

溫度升高

放出熱

體積不變

題解:

兩個體系進行的化學反應是一樣的,所以涉及的化學變化本質是一樣的。但是,由於恆壓體系有氣球調節體系的壓強,所以恆壓體系在反應過程中,體積發生變化。

與恒體積體系相比,恆壓體系具有哪些特徵?

體系的溫度升幅較小

產生的氣體較多

放出的熱較少

體積保持不變

題解:

在恆壓體系中,產生的氣體會對外界作功,從而維持體系的壓強保持不變。所以,與恆體積體系相比,恆壓體系放出的熱較少,溫度升幅較小。由於反應的本質是一樣的,所以兩種體系中產生氣體的量相同。

恆壓體系與恒體積體系的比較
化學反應中的能量守恆

能量守恆定律指出:能量不能被創造或是被毀滅,它只能由一種形式轉化為另一種形式,在轉化的過程中,能量的總和保持不變。

化學反應過程也是一樣。任何化學反應發生時,都伴隨著內部能量(內能)的變化。這種內能的變化,等於體系內能的起始值與最終值之差,即:

\[\Delta E = {\kern 1pt} {E_{\text{f}}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {E_{\text{i}}}\]

其中:\(\Delta E\) 是體系內能的變化;\({{E}_{\text{f}}}\) 是體系內能的最終值;\({{E}_{\text{i}}}\) 是體系內能的起始值。

能量守恆定律
化學反應中的能量變化

根據能量守恆定律可知:化學反應過程中,體系向外界放出(吸收)的能量等於外界從體系吸收(放出)的能量。即:

\[\Delta E\ =\ Q\ +\ W\]

其中:\(\Delta E\) 是體系內能的變化;\(Q\) 是體系放出或吸收的熱;\(W\) 是體系對外界或外界對體系所作的功。

可以看出:恆壓體系與恒體積體系的差別在於體系與外界之間是否作功。

  • 恆壓條件下
    \[\Delta E\left( \text{恆壓} \right)\ =\ Q\left( \text{恆壓} \right)\ +\ W\left( \text{恆壓} \right)\]
  • 恆體積條件下,\(W\left( \text{恒體積} \right)\ =\ 0\):
    \[\Delta E\left( \text{恆體積} \right)\ =\ Q\left( \text{恆體積} \right)\]

所以,恆壓條件下,由於體系產生氣體,對外界作功,體系產生熱減少,溫度升幅較小。化學家們把恆壓下的熱變化,即 \(Q\left( \text{恆壓} \right)\) 定義為化學反應過程中的焓變

恆壓體系與恒體積體系的差異
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