2011年6月25日 星期六

能量、焓和熱化學 Energey、Enthalpy and Thermochemistry


化學原理啟迪210
1.     能量是我們個體與社會生存的基本要素。我們吃的食物提供能量維持生命、讓我們可以工作、娛樂,就如同電廠燃燒煤油並且傳輸電力發展現代工業文明。
2.     這個時代我們得到大量的石油。豐富的石油養大國際社會對能量的胃口,每天消耗數百萬桶的石油。我們現在過度仰賴石油供應是十分危險的事,石油也成為今日國際間緊張的因素。在難以想像的短時間之內,我們將從便宜充足石油供應的時代,進入到高價且供應不確定的時代。
3.     石化燃料還有其他的問題。燃燒石化燃料會影響大氣層。舉例來說,以碳為主要素材的石油燃燒時,碳會與氧結合成二氧化碳,並釋放到大氣層中。
4.     雖然許多二氧化碳可以透過自然的過程例如光合作用和形成碳酸礦物的方式消耗掉,但是大氣中的二氧化碳還是逐步升高。大氣中二氧化碳增加的現象十分明顯,因為大氣的二氧化碳會吸收地球表面的熱輻射,並且把其中一部份的熱輻射反射回地球表面。
5.     這個機制對控制地球溫度十分重要,許多科學家擔心增加二氧化碳的濃度會使地球暖化,造成氣候大改變。此外,石油中的雜質與空氣反應也會產生空氣污染。
6.     【能量的天性 The Nature of Energy】雖然一般人都熟悉能量的觀念,但是能量其實很難精確地定義。我們將定義能量做功(使物體移動一段距離的力量)或產生熱的能力。在這裡我們將專注討論化學反應過程中能量透過熱流動進行的轉變。
7.     能量其中一個最重要的性質是守恆conserved(能量不滅)。能量守恆定律The law of conservation of energy說:能量,能夠從一種形式轉換為另一種形式,過程中不會無故創造新能量,也不會無故消失
8.     全世界的能量都具有守恆的性質。能量可分為位能動能
9.     Potential energy位能的能量來自於位置高低結構落差。舉例來說,水庫裡的水儲存著能做出實際功效的位能,當水庫的水放流下來推動渦輪,就會製造出電力。
10. 互相吸引或排斥的力量同樣會創造位能。燃燒汽油的時候,反應物與產物的組成原子們,彼此原子核與電子之間的引力改變,使儲存在化合物內的能量釋放出來。
11. 一個物體的動能Kinetic來自於物體的運動,由物體的質量(m)移動速率(v)組成:KE=12mv2
12. 能量能夠輕易地從一種形式轉換成另一種形式。舉例來說,圖(a)因為A球一開始的位能比B球高,所以當我們放手讓A球滾下去時,它會往下坡移動,並且撞到B球。最後造成圖(b)的分布情形。
13. 從一開始圖(a)的情形變成最後圖(b)的情形,發生了什麼事?球A的位能減少了。能量應該不會憑空消失,而是轉換了,球A失去的能量一定是有個流向的。那麼能量是怎麼分布的呢?
14. 當球A從坡上滾下來時,球A原本的位能轉變成動能,一部份球A動能被傳遞到球B身上,最後把球B推到一個比較高的位置,使得球B位能提高。
15. 然而,因為球B的位置還是沒有原本球A的位置高,因此還是有一部份的能量不知道流到哪裡去。這二顆球都已經在最後的位置靜止不動了,所以流失的能量不會是這二顆球的動能。那麼球A其餘的能量(改變球B位能以外的能量)到底是如何呢?
16. 答案在坡面與球的交互作用中。當A球滾落的時候,它一部份的動能轉換成坡面的熱。這個能量轉換稱為摩擦熱frictional heating。當球滾落的時候波面的溫度有一點點增加。
17. 有一點十分重要,我們必須分清楚溫度是完全不同的東西。溫度,是反應物質粒子隨機運動情形的性質(通常粒子愈活潑,溫度愈高)。Heat,牽涉到二個物體之間的能量轉換,會造成這二個物體的溫度改變。熱能不是藏在物體內的物質。
18. 特別留意從A球滾動前的初始的狀態,到最後A球靜止下來的2顆球的排列情形。因為球A對球B做功,使得球B獲得位能。Work的定義:推動東西移動一段距離的力量。要把B從原本比較低的位置拉到比較高的位置,需要作功。球A位能中一部份的能量轉換成對球B作功,因此增加球B的位能。
19. 有二種轉換能量的方法:透過或透過A球往下滾到坡底的時候,失去它的位能,但是A球位能的轉換可分為,熱取決於球體的移動路徑。
20. 舉例來說,坡面非常粗糙,會使得球A的位能完全被摩擦熱消耗掉:造成A球的移動非常慢,因此A球撞到B球的時候,沒有力氣把B球推到更高的位階,這樣的情況就是A球沒有作出任何功。
21. 不論坡面是平滑還是粗糙,被轉換的總能量是恆定的。只是轉換成的份量(或比例)因情況而不同。A球從坡頂到坡底的能量改變與路徑無關,但是功和熱則取決於路徑。
22. 這帶給我們一個非常重要的觀念:狀態函數state function狀態性質state property狀態函數指出系統的性質全看它的現狀。狀態函數與過去(或未來)無關。換句話說,狀態函數的數值跟系統如何達到現在狀態無關,只跟現在狀態的性質有關。
23. 更清楚地說,狀態函數一個非常重要的特質是,從一種狀態變成另一種狀態造成的函數(性質)改變,與這二個狀態改變的過程無關。能量是一種狀態函數,但是功或熱不是。
n   翻譯編寫Steven S. ZumdahlChemical Principles
徐弘毅:
1.     「能量守恆定律The law of conservation of energy能量,能夠從一種形式轉換為另一種形式,「過程」中不會無故創造新能量,也不會無故消失。」有一句話說「凡走過,必留下痕跡」,每一個人每天做的事情、每天說的、每天的事情,一定會對這個社會產生影響力
2.     但是每一個人他的「影響力」有大有小,有程度上的不同;同時有正面、有負面,也一定會跟周遭的人產生互動
3.     也許總統大選最後只相差2萬票,但是每個人努力的結果都會對這個社會產生影響力,有的人的影響力比較短,有的人的影響力會很長。每個人都應該想一想,自己現在每天所做的事情、所說的話,為二十年以後的台灣社會會是正面的影響、還是負面的影響?哪一類的影響?
4.     能量分為兩種,一是位能,另一個是動能。「動能」是粒子移動的能量,由粒子本身的質量移動速率組成。如果一個人他所說的話或所做的事,符合客觀真實對人類的公平正義有幫助,那麼就具有相當高的「質量」;如果他所說的話、所做的事,加上很高的傳播效率,那麼他就會形成很強大的動能,一種強烈的社會說服力
5.     相反地,意見領袖如果講的話沒有道理,不符合客觀真實,不符合學術標準,對社會公平正義沒有實質幫助,那麼他所說的話或所做的事都只是「空談」,沒有實質正面影響,所以不管動用多大的傳播媒體力量來宣傳,最後都會泡沫破裂,一場空。
6.     位能,物質所處的位置比較高,就會有一種潛力,當這個物質往下掉的時候,就會產生出一種能量。政客都喜歡透過作秀來抬高自己的身價,或是獲得權力、學歷等光環,來拉高自己的社會地位,或是運用傳播媒體進行宣傳造勢,總之希望自己站在比較高的位置,具有「位能」。
7.     汽車從山上往下衝,當然具有位能;但是一個大氣球從山上掉下來有多大的位能?
8.     政客所說的,如果沒有知識性,沒有長遠的歷史價值,無法維護社會的公平正義,不符合客觀真實,那麼他所說的只是一顆大氣球,不但沒有位能,破掉的時候還會嚇死自己族群的人,「六三三、馬上好、準備好、完全執政完全負責……」,這一類的政治口號就是屬於像氣球一般不具位能的「虛功」。
9.     位能,還有引力或斥力造成的位能,例如物質的燃燒,使得原子核或電子彼此的引力跟斥力改變,而釋放出能量。當輿論一面倒地排斥、攻擊某一個人的時候,會讓他的社會地位突然變得很高或突然變得很低,譬如江國慶案剛開始的時候,社會一面倒地希望處決他,助長了陳肇敏刑求逼供的合理性,因為當時的社會大眾與軍公教完全不懂什麼叫做「無罪推定原則」。
10. 堅守「無罪推定原則」,才能捍衛真正的社會正義。許多人罵恐龍法官、某某人貪腐或誰該槍斃,這是基於他已經研究判斷所有蒐集的客觀證據?還是基於個人的匹夫之勇?電視名嘴經常評論各種刑事案件,但是自己都完全沒有任何的證據,因此屬於匹夫之勇,他們講的所有的,都不會維持社會正義。
11. 能量具有二種能力:作功、製造熱。功,就是把物體移動一段距離。哪一個選舉候選人可以讓百姓自動自發去投票?必須要做什麼「功」?你所提出的政見必須是他們人生當中最需要的東西;你過去的政績,必須確實解決了他們生活最大的困難點。
12. 熱,就是物體移動的過程中,與路面摩擦產生的能量。如果一個選民長期都投國民黨,現在為什麼要改變投民進黨?要改變他過去的生活習慣,需要有非常大的能量來推動,讓他克服心理和思想上的摩擦力。重點仍然是誰比較守信用?誰有辦法解決他們切身的困難點?誰有辦法讓全台灣所有的派遣工作人員都變成正職人員?
13. 「狀態函數」是指物體靜止時的能量狀態。狀態函數可以用來比較物體移動前的狀態,跟移動後的狀態有什麼差別;造成這種差別的原因就是移動的「過程」作了「功」並且產生「摩擦熱」。
14. 2008的總統大選跟2012的總統大選有什麼不一樣?最大的狀態不同是,2008馬英九是在野黨領袖,他只要能夠喊出感動人的口號,廣告拍得好,演技精湛,就可以獲得選票。
15. 2012馬英九是執政黨領袖,他得繳出過去三年多的政績,而且這些政績不是自吹自擂,必須真的解決很多人現實生活的困境。這個時候對馬英九而言,口號政見都已經沒有用了,沒有政績就沒有選票,這是2012馬英九總統必須要認清楚的客觀狀態
16. 如果三年前「六三三、馬上好……」等政見全部落實,馬英九現在的民調應該比2008還要高。之所以現在民調跟蔡英文打成平手,最主要的原因就是沒有政績、政見跳票,只有摩擦熱(起雲劑風波、大埔阿嬤事件),沒有作「功」(政績)。換句話說,當初有很多票投馬英九的人,現在非常地失望。

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