Treść książki
Przejdź do opcji czytnikaPrzejdź do nawigacjiPrzejdź do informacjiPrzejdź do stopki
PROLOGEnergia,temperaturaichemia
Energiajestpojęciemużywanymwchemiidoopisustruk-
turcząsteczek,reakcjichemicznychiwieluinnychproce-
sów.Poniżejprzedstawiononiesformalizowanyopisważ-
nychcechenergii.Jejdokładnadefinicjairolazostaną
opisanewdalszejczęścipodręcznika.
Przemianyenergiizjednejpostaciwdrugąopisująza-
sadytermodynamiki.Mająonezastosowaniedomaterii
wskalimakroskopowej,czyliodnoszącejsiędobardzodu-
żejliczbyatomówicząsteczek.nPierwszazasada”termody-
namikimówioilościenergiizwiązanejzprzemianą,ndruga
zasada”natomiastorozproszeniutejenergii(wsensie,który
zostaniewyjaśnionydalej).
Doopisuenergiiposzczególnychatomówicząsteczek,
któreskładająsięnapróbkimaterii,koniecznejestzasto-
sowaniemechanikikwantowej.Zgodnieztąteoriąenergia
związanazruchemcząstkijestnskwantowana”
,cooznacza,
żeenergiatamożeprzyjmowaćtylkookreślone,dyskret-
ne,aniedowolnewartości.Mogąwystępowaćtrzyrodzaje
ruchu:translacja(przemieszczaniesięwprzestrzeni),rota-
cja,czyliobrót(zmianaorientacji)ioscylacja,czylidrga-
nie(cyklicznerozciąganieizginaniewiązań).Narysunku1
przedstawionowzględnewartościodstępówmiędzystana-
mienergetycznymizwiązanymiztymirodzajamiruchuty-
powychcząsteczekiporównanojeztypowymienergiami
elektronówwatomachicząsteczkach.Wzbiornikuotypo-
wejwielkościdozwoloneenergiezwiązaneztranslacjąsątak
zbliżone,żetworząkontinuum.Wprzeciwieństwiedotego
odległośćmiędzydozwolonymistanamienergiielektronowej
atomówicząsteczekjestbardzoduża.
Związekmiędzyenergiamiposzczególnychcząste-
czekaenergiąmateriiwskalimakroskopowejpodaje
translacyjnarotacyjna
energia
kontinuum
0,01
oscylacyjna
1–10
elektronowa
100
Rys.1Względneenergiedozwolonychstanówróżnych
rodzajówruchówatomów(stanytranslacyjneielektronowe)
icząsteczek(wszystkiepokazane)
jednoznajważniejszychpojęćwchemii,jakimjestrozkład
Boltzmanna.Materiaskładasięzdużejliczbycząsteczek,
zktórychkażdaznajdujesięwjednymzdostępnychstanów
energetycznych.Całkowitaliczbacząsteczekookreślonej
energiitranslacyjnej,rotacyjnej,oscylacyjnejorazenergiista-
nuelektronowegonazywanajestnobsadzeniem”tegostanu.
Większośćcząsteczekznajdujesięwnajniższymstanieener-
getycznym,awyższestanyenergetycznesązajmowaneprzez
corazmniejsząliczbęcząsteczek.RozkładBoltzmannapodaje
obsadzenie,N
i
,dowolnegostanuenergetycznego,wfunkcji
energiitegostanu,
ε
i,itemperaturybezwzględnej,T:
N
i∼e-
ε
il(kT)
WtymwyrażeniukjeststałąBoltzmanna(jejwartośćjest
podananawewnętrznejstronieprzedniejokładki),stałą
ocharakterzeuniwersalnym(matęsamąwartośćniezależ-
nieodstanumaterii).Narysunku2przedstawionorozkład
energia
(a)niskatemperatura
dozwolonestanyenergetyczne
obsadzenie
(b)wysokatemperatura
energia
dozwolonestanyenergetyczne
obsadzenie
Rys.2Względneobsadzeniastanówenergetycznych
zgodniezrozkłademBoltzmannadla(a)niskiej
i(b)wysokiejtemperatury
