Đang tải bài học…

AP Chemistry

công

work

Còn gọi: công thực hiện · work done

Công là năng lượng được truyền giữa hệ và môi trường khi một lực tác dụng làm vật dịch chuyển, ví dụ khi chất khí giãn nở đẩy pittông.

Trong hóa học, năng lượng (energy) chỉ đi qua ranh giới của hệ theo đúng hai con đường là nhiệt và công. Nhiệt là phần năng lượng chảy đi vì chênh lệch nhiệt độ, còn công là phần năng lượng được truyền khi có một lực làm vật dịch chuyển được một quãng đường. Định nghĩa cơ học của công rất gọn: $w = F \times d$ , với $F$ là lực tác dụng và $d$ là quãng đường vật đi được theo hướng của lực. Vì vậy, nếu lực không làm gì dịch chuyển thì $d = 0$ và không có công nào được thực hiện, dù ta có gắng sức đến đâu.

Dạng công mà các phản ứng hóa học thường sinh ra là công giãn nén, xuất hiện khi thể tích hệ thay đổi dưới một áp suất (pressure) ngoài không đổi. Khi đó $w = -P_{ext}\,\Delta V$ , trong đó dấu trừ mang ý nghĩa quy ước rất quan trọng. Khi khí giãn nở thì $\Delta V > 0$ , hệ đẩy môi trường ra và mất năng lượng nên $w < 0$ , ngược lại khi hệ bị nén thì $\Delta V < 0$ và $w > 0$ vì môi trường bơm năng lượng vào hệ. Do đó một phản ứng sinh nhiều mol khí sẽ tiêu tốn một phần năng lượng chỉ để đẩy khí quyển sang bên.

Công và nhiệt cộng lại cho biến thiên nội năng (internal energy) theo định luật thứ nhất của nhiệt động lực học, $\Delta E = q + w$ . Tuy nhiên, khác với $\Delta E$ , bản thân $w$ không phải hàm trạng thái (state function), vì đưa hệ từ trạng thái đầu tới trạng thái cuối bằng các đường khác nhau sẽ cho những giá trị công khác nhau, dù tổng $q + w$ luôn như cũ. Chính vì vậy đại lượng entanpi $H$ được đặt ra để đo nhiệt ở áp suất không đổi mà không phải tính riêng phần công giãn nén mỗi lần.

Ký hiệu

• $w$ (đôi khi ký hiệu $W$ )
• $w = -P\Delta V$
• $\Delta E = q + w$

Đơn vịjoule (J) hoặc kJ; nếu tính $P$ theo atm và $V$ theo L thì $1\ \text{L·atm} = 101{,}3\ \text{J}$

Trực giác: Bạn thổi phồng quả bóng bay: khí bên trong phải đẩy lớp không khí xung quanh dạt ra để có chỗ, và cái phần năng lượng bỏ ra để đẩy đó chính là công.

Công thức

w = \htmlClass{fp-3}{-\htmlClass{fp-2}{\htmlClass{fp-0}{P}\htmlClass{fp-1}{\Delta V}}}

Dùng khi tính công áp suất–thể tích (pressure–volume work) trong quá trình khí giãn hoặc bị nén ở áp suất ngoại không đổi.

Trong đó

w

công (work) — J

P

áp suất ngoại không đổi (external pressure) — atm

\Delta V

độ biến thiên thể tích (

V_{\text{cuối}} - V_{\text{đầu}}

) — L

Thử nghiệm tương tác

Vặn áp suất ngoài về 0 — khí vẫn giãn ra mà công vẫn bằng không

Hay hiểu sai

Công không phải thứ mà hệ "chứa" sẵn, mà là cách năng lượng đi qua ranh giới.

Khí giãn nở thì công mang dấu âm, không phải dấu dương.

Nói "nhiệt truyền từ tay sang túi sưởi" là sai chiều.

Không phải phản ứng nào cũng sinh công thể tích đáng kể.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một chất khí lí tưởng được chứa trong xilanh có pit-tông di động, ban đầu chiếm thể tích

2.00\ \text{L}

. Khi được đun nóng, khí giãn nở tới

6.50\ \text{L}

trong khi áp suất ngoài giữ không đổi ở

1.20\ \text{atm}

. Trong quá trình đó hệ hấp thụ

850\ \text{J}

nhiệt từ môi trường. Cho

1\ \text{L}\cdot\text{atm} = 101.3\ \text{J}

aTính công mà hệ trao đổi với môi trường, kèm dấu, và giải thích ý nghĩa của dấu đó.
bTính biến thiên nội năng $\Delta E$ của hệ.
cGiả sử cùng lượng khí đó giãn nở từ $2.00\ \text{L}$ lên $6.50\ \text{L}$ nhưng vào chân không. Công lúc này bằng bao nhiêu? Giải thích.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyNhiệt động lực học · bài “Nhiệt động lực học” — khoá AP Chemistry

Dẫn tớiđịnh luật thứ nhất của nhiệt động lực học (sắp có)nhiệt hóa học

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

nhiệt lượng (heat)heat

Khác nhau ở đâuCông là năng lượng truyền khi có lực tác dụng làm vật dịch chuyển một khoảng cách, mang tính có trật tự. Nhiệt lượng là năng lượng truyền do chênh lệch nhiệt độ, mang tính hỗn loạn.

Hay nhầm khiKhi đề yêu cầu xác định năng lượng truyền vào hệ là công hay nhiệt, đặc biệt trong bài toán khí giãn nở hoặc nén khí

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 8, 13–14.

Định nghĩa tổng quát nhất của công: lực tác dụng nhân với quãng đường dịch chuyển theo hướng của lực. Dùng để hiểu bản chất vật lý trước khi áp dụng công thức $w = -P\Delta V$ cho hệ khí.

Trong đó

w

công (work) — J

F

lực tác dụng (force) — N

d

quãng đường dịch chuyển theo hướng của lực (displacement) — m

Vặn áp suất ngoài về 0 — khí vẫn giãn ra mà công vẫn bằng không

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Viết rõ dấu và mốc quy chiếu ngay cạnh mỗi con số năng lượng.

Đổi $\text{L}\cdot\text{atm}$ sang $\text{J}$ trước khi cộng với nhiệt lượng.

Trong câu hỏi giải thích, đừng nói "nhiệt độ truyền đi" mà nói "năng lượng truyền đi".

Tần suất trong đề AP ChemistryHay gặp

Bước 1: Xác định loại công đang xét. Pit-tông dịch chuyển do khí đẩy ra nên đây là công thể tích (pressure–volume work), tính theo

w = -P_{\text{ext}}\,\Delta V

. Dấu trừ trong biểu thức là quy ước lấy hệ làm mốc: hệ tự bỏ năng lượng ra ngoài thì

w

âm.

2Bước 2: Tính độ biến thiên thể tích:

\Delta V = 6.50 - 2.00 = 4.50\ \text{L}

. Thay vào biểu thức công:

w = -(1.20)(4.50) = -5.40\ \text{L}\cdot\text{atm}

3Bước 3: Đổi sang joule để dùng chung đơn vị với nhiệt:

w = (-5.40\ \text{L}\cdot\text{atm})\left(\dfrac{101.3\ \text{J}}{1\ \text{L}\cdot\text{atm}}\right) = -547\ \text{J}

. Dấu âm cho biết hệ đã thực hiện công lên môi trường (surroundings) khi đẩy pit-tông ra, tức năng lượng đi ra khỏi hệ.

4Bước 4: Áp dụng định luật thứ nhất của nhiệt động lực học:

\Delta E = q + w

. Hệ hấp thụ nhiệt nên

q = +850\ \text{J}

, còn

w = -547\ \text{J}

, do đó

\Delta E = 850 + (-547) = +303\ \text{J}

5Bước 5: Xét ý (c). Khi giãn vào chân không thì

P_{\text{ext}} = 0

, nên

w = -(0)(4.50) = 0\ \text{J}

. Khí không phải đẩy vào bất cứ vật gì nên dù thể tích tăng, không có công nào được thực hiện; khi đó

\Delta E = q

Khí thực hiện công $547\ \text{J}$ lên môi trường ( $w = -547\ \text{J}$ ), đồng thời nhận $850\ \text{J}$ nhiệt, nên nội năng của khí tăng $303\ \text{J}$ . Kết quả này cho thấy công không phải là một dạng năng lượng chứa sẵn trong hệ mà là một cách truyền năng lượng: cùng một độ tăng thể tích, nếu áp suất ngoài bằng không thì công bằng không và toàn bộ nhiệt hấp thụ đều chuyển thành nội năng.

2Ví dụ 2/2

Một pin điện hóa được lắp từ hai nửa pin

\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}

và

\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}

ở điều kiện chuẩn, phản ứng tổng cộng là

\text{Zn}(s) + \text{Cu}^{2+}(aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+}(aq) + \text{Cu}(s)

với

E^\circ_{\text{cell}} = 1.10\ \text{V}

. Cho hằng số Faraday

F = 96485\ \text{C}\cdot\text{mol}^{-1}

aTính công điện cực đại mà pin có thể sinh ra ứng với 1 mol phản ứng.
bTính công điện cực đại thu được khi $0.250\ \text{mol}$ $\text{Zn}$ bị oxi hóa hoàn toàn.

1Bước 1: Đếm số mol electron trao đổi. Kẽm chuyển từ số oxi hóa

0

lên

+2

còn đồng đi từ

+2

về

0

, nên

n = 2

mol electron cho mỗi mol phản ứng.

2Bước 2: Công điện cực đại (maximum work) mà pin sinh ra chính bằng biến thiên năng lượng tự do Gibbs:

w_{\max} = \Delta G^\circ = -nFE^\circ_{\text{cell}}

. Công thức này nói rằng toàn bộ phần năng lượng "khả dụng" của phản ứng, trong trường hợp lí tưởng nhất, có thể được rút ra dưới dạng công điện.

3Bước 3: Thay số:

w_{\max} = -(2)(96485)(1.10) = -2.12 \times 10^{5}\ \text{J} = -212\ \text{kJ}

cho mỗi mol phản ứng. Dấu âm cho biết năng lượng đi ra khỏi hệ, phù hợp với việc pin tự phát và cấp điện cho mạch ngoài.

4Bước 4: Với

0.250\ \text{mol}

\text{Zn}

, vì hệ số của

\text{Zn}

trong phương trình bằng 1 nên số mol phản ứng cũng là

0.250

. Do đó

w = (0.250)(-212\ \text{kJ}) = -53.1\ \text{kJ}

Pin có thể sinh tối đa $212\ \text{kJ}$ công điện cho mỗi mol phản ứng, và $53.1\ \text{kJ}$ khi $0.250\ \text{mol}$ kẽm tan ra. Cần nhớ đây là giá trị giới hạn lí thuyết, đạt được khi pin phóng điện vô cùng chậm; trong thực tế một phần năng lượng luôn thoát ra dưới dạng nhiệt do điện trở trong, nên công thu được luôn nhỏ hơn con số này.

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.