Samenvatting Toegepaste fysica sem 2

ENERGIE IN EVENWICHT: INLEIDING
1. Thermodynamica
- Theorie van alle macroscopische verschijnselen
- Zo veel mogelijk arbeid (= mechanica) uit de verbranding van steenkool (= chemie)
 Thermodynamica is de brug tussen fysica en chemie
❖ Bij reacties bijna altijd een warmte-effect
▪ T↑ of T↓
▪ T-verandering is gevolg van toevoegen of onttrekken warmte
▪ Chemische reactie kan ook arbeid leveren
❖ Wat de thermodynamica ons leert
▪ Hoeveelheid vrijgekomen warmte bij een reactie
▪ Hoeveel arbeid er kan geleverd worden bij een reactie
▪ Onder welke omstandigheden is de reactie mogelijk
▪ Invloed van T, p en c
▪ Potentiometrie
 Wij leren enkel de basis
2. Elektrochemie
- Link tussen elektriciteit en chemische reacties
❖ Hebben gemeen: uitwisseling van elektronen
❖ Voor- en nadelen bij elektronenstromen
▪ Elektrolyse + wet van Faraday
▪ Galvanische cel
▪ Wet van Nernst
▪ …
3. Licht en materie
- Licht is een golf, maar ook een trilling  bevatten deeltjes ook golfeigenschappen?
❖ Trillingen en golven
❖ Foto-elektrisch effect
❖ Golfkarakter in elementaire deeltjes
❖ Interactie tussen licht en materie: spectrochemie

Examen: enthalpie, entropie en Gibbs-energie  elks minstens 1 vraag

, ARBEID, WARMTE EN DE EERSTE HOOFDWET
1. Arbeid
1.1. Arbeid bij volumeverandering
- T-verandering: opnemen of afgeven van warmte
❖ Gaat meestal gepaard met p- en/of V-verandering
- Volumeverandering: impliceert het leveren van arbeid
❖ Gas wordt samengedrukt door een zuiger in een cilinder
▪ Geleverde arbeid = kracht . verplaatsing
−𝑑𝑉 𝐹
▪ 𝑑𝑊 = 𝐹. 𝑑𝑠 = 𝐹. ( 𝑆
) = − 𝑆 . 𝑑𝑉 = −𝑝. 𝑑𝑉
• In een bepaalde druk kan men de arbeid berekenen adhv dV
• Bij oneindige volumeverandering gebruikt men een integraal
𝑉 𝑉
o 𝑊 = ∫𝑉 𝑒 𝑑𝑊 = − ∫𝑉 𝑒 𝑝. 𝑑𝑉
0 0
• Bij constante druk (isobaar)
𝑉
o 𝑊 = −𝑝 ∫𝑉 𝑒 𝑑𝑉 = −𝑝. (𝑉𝑒 − 𝑉0 ) = −𝑝. 𝛥𝑉
0




1.2. Grafische voorstelling van de geleverde arbeid bij volumeverandering
- Voorstelling integraal: oppervlakte onder de curve
❖ Curve met V op horizontale as en p op verticale as
- Eenheid arbeid is geen oppervlakte
❖ [W] = [p] . [V] = Pa . m³ = N . m = J

,  Geleverde arbeid hangt af van de gevolgde weg
 Bij energie hangt alles enkel af van de begin- en eindtoestand en niet de gevolgde weg

Wanneer men arbeid levert, verhoogt men de energie aan het systeem

2. Eerste hoofdwet van de thermodynamica
2.1. Inwendige energie
- Materie heeft verschillende soorten energie
❖ Kinetisch: globale bewegingstoestand
❖ Extern potentiëel: positie in allerlei krachtvelden
 Uitwendige energie
❖ Thermisch: beweging van de moleculen waaruit het systeem is opgebouwd
❖ Intern potentiëel: onderlinge aantrekking tussen de molecule van het systeem
❖ Chemisch: chemische samenstelling, bindingen in het systeem
 Inwendige energie U
2.2. De eerste hoofdwet (= wet van energie-behoud)
- U wijzigen in een systeem
❖ Energie toevoegen ΔU > 0
❖ Energie onttrekken ΔU < 0
- Verschillende mogelijkheden
❖ Mechanische arbeid aan (W > 0) of door (W < 0) het systeem (samendrukken,
uitzetten, vervormen,…)
❖ Warmte leveren aan (Q > 0) of door (Q < 0) het systeem (verwarmen, afkoelen,
smelten, stollen,…)
 ΔU = Q + W  de eerste hoofdwet van de thermodynamica
❖ Q en W worden aan het systeem geleverd

, 3. Warmte
3.1. Hoeveelheid uitgewisselde warmte en het verloop van het proces
- Geleverde energie hangt niet enkel af van begin- en eindtoestand, maar ook van het verloop
❖ Verandering van inwendige energie ΔU hangt WEL enkel af van begin en
eindtoestand
▪ Ueindtoestand – Ubegintoestand
❖ De eerste hoofdwet stelt: Q = ΔU – ΔW  uitgewisselde warmte hangt ook af van
het proces (de arbeid)
3.2. Warmtecapaciteit van een ideaal gas bij constante p en constante V
- De warmtecapaciteit (C of c) van een systeem is de verhouding tussen de toegevoegde
warmte Q en de temperatuurstijging ΔT die daarvan het gevolg is
❖ Warmtecapaciteit is in veel gevallen sterk T-afhankelijk  zeer kleine waarden
▪ c = dQ/dT  soortelijke warmtecapaciteit c
▪ C = dQ/n.dT  molaire warmtecapaciteit C
❖ Als we dit combineren met de eerste hoofdwet
1 (𝑑𝑈−𝑑𝑊) 1 (𝑑𝑈+𝑝𝑑𝑉) 𝑑𝑈 𝑝.𝑑𝑉
▪ 𝐶 = 𝑛. 𝑑𝑇
= 𝑛. 𝑑𝑇
= 𝑛.𝑑𝑇 + 𝑛.𝑑𝑇
❖ Wanneer constante p en constante V
𝑑𝑈 𝑝.𝑑𝑉
▪ 𝐶𝑣 = 𝑛.𝑑𝑇 = C bij constant volume ↔ 𝐶 = 𝐶𝑣 + 𝑛.𝑑𝑇
❖ Indien we spreken over een ideaal gas
𝑝.𝑑𝑉 𝑝 𝑑 𝑛𝑅𝑇 𝑝 𝑛𝑅 𝑑 𝑑𝑇
▪ 𝑛.𝑑𝑇
= . ( 𝑝 )
𝑛 𝑑𝑇
= . . (𝑇) = 𝑅 𝑑𝑇 = 𝑅
Ideale p constant 𝑛 𝑝 𝑑𝑇
gaswet


▪ Cp = Cv + R  Cp = C bij constante druk

- Warmtecapaciteit in functie van een T-verandering (indien enige factor)
𝑄
❖ 𝑐 = 𝑚.𝑑𝑇 ↔ Q = m.c.dT
𝑄
❖ 𝐶 = 𝑛.𝑑𝑇 ↔ Q = n.C.dT
 Geldt niet bij H2O(solid, -5°C)  H2O(liq, 20°C)
- Warmtecapaciteit ↔ latente warmte
❖ H2O(solid, -5°C)  H2O(solid, 0°C)  Q1 = n.Cijs.dTijs
❖ H2O(solid, 0°C)  H2O(liq, 0°C)  Q2 = n.ΔsmeltH°H2O Q = Q1 + Q 2 + Q 3
❖ H2O(liq, 0°C)  H2O(liq, 20°C)  Q3 = n.Cwater.dTwater
 Q = n(CijsdTijs + ΔsmeltH°H2O + CwaterdTwater)
- cwater, 25°C = 4,18 J/g.K = 4,18 J/g.°C
- Cwater, 25°C = Mwater.cwater, 25°C = 75,3 J/mol.K
3.3. Uitgewisselde warmte bij verschillende processen  zie blz. 13
4. Reactiewarmte
4.1. Reactiewarmte: exotherm of endotherm
- Een reactie wordt altijd bekeken vanuit het volledige systeem met zijn omgeving
❖ Endotherme reactie: het systeem neemt energie in de vorm van warmte op uit de
omgeving
❖ Exotherme reactie: het systeem geeft energie in de vorm van warmte af aan de
omgeving