innovation.world
Product Design, Manufacturing & Innovation Resources
بيت » المحفز على التوازن الكيميائي

المحفز على التوازن الكيميائي

1850
كيميائي يجري تجارب على المواد الحفازة في مختبر قديم، 1850.

(صورة توضيحية فقط)

يزيد المحفز من معدل التفاعلات الأمامية والعكسية بالتساوي من خلال توفير مسار تفاعل بديل بطاقة تنشيط أقل. وبينما يسمح المحفز للنظام بالوصول إلى حالة التوازن بشكل أسرع، فإنه لا يغير موضع التوازن نفسه. وتظل تركيزات المتفاعلات والنواتج عند التوازن، وقيمة ثابت التوازن K، ثابتة.

يمكن تصور وظيفة العامل الحفاز باستخدام مخطط طاقة التفاعل. يُخفّض العامل الحفاز طاقة الحالة الانتقالية، وهي ذروة حاجز الطاقة بين المتفاعلات والنواتج. والأهم من ذلك، أنه يُخفّض هذا الحاجز بنفس المقدار لكل من التفاعل الأمامي والعكسي. هذا يعني أن طاقة التنشيط للتفاعل الأمامي (Ea,fwd) وطاقة التنشيط للتفاعل العكسي (Ea,rev) تنخفضان، لكن الفرق بينهما، والذي يُقابل التغير الكلي في المحتوى الحراري للتفاعل (ΔH = Ea,fwd - Ea,rev)، لا يتأثر.

Since the equilibrium constant K is related to the standard Gibbs free energy change ([latex]\Delta G^{circ} = -RT \ln K[/latex]), and catalysts do not alter the thermodynamics ([latex]\Delta G^{circ}[/latex], [latex]\Delta H^{circ}[/latex]) of the overall reaction, they cannot change the value of K. Their role is purely kinetic, enabling the system to achieve the thermodynamically favorable equilibrium state in a shorter amount of time. This is vital in industrial processes where reaching equilibrium quickly is economically necessary, as many thermodynamically favorable reactions are too slow to be practical without التحفيز الكيميائي.

UNESCO Nomenclature: 2209
- الكيمياء الفيزيائية

يكتب

نظام مجرد

خلل

أساسيات

الاستخدام

استخدام واسع النطاق

مقدمات

  • معادلة أرهينيوس التي تربط معدل التفاعل بطاقة التنشيط
  • مفهوم طاقة التنشيط
  • الملاحظات المبكرة للمواد التي تسرع التفاعلات دون استهلاكها (على سبيل المثال، بواسطة كيرشوف، ديفي)

التطبيقات

  • catalytic converters in automobiles to reduce harmful emissions
  • enzymes in biological systems acting as biocatalysts
  • عملية هابر بوش باستخدام محفز الحديد
  • عملية التلامس باستخدام محفز أكسيد الفاناديوم (v)
  • تكرير البترول وتكسيره

براءات الاختراع:

NA

أفكار ابتكارية محتملة

  • photocatalysts for water splitting to produce وقود الهيدروجين
  • electrocatalysts for more efficient fuel cells and batteries
  • الإنزيمات المعدلة وراثيًا للكيمياء الخضراء وإنتاج الوقود الحيوي
  • محفزات نانوية ذات مساحة سطح عالية لتحسين الكفاءة الصناعية
  • محفزات أحادية الذرة لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة الذرية والانتقائية
  • الأنظمة التحفيزية لإعادة تدوير البلاستيك وتحلله
  • الإنزيمات الاصطناعية (الإنزيمات المتزامنة) للعلاجات الطبية المستهدفة
  • محفزات لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء مباشرة
  • مواد ذاتية الشفاء مع كبسولات دقيقة مدمجة مع محفز-متفاعل
  • أنظمة التحفيز الترادفية حيث تحدث خطوات تحفيزية متعددة في وعاء واحد
ذات صلة بـ: محفز، توازن، طاقة تنشيط، معدل التفاعل، حركية، ديناميكا حرارية، ثابت التوازن، تفاعل مباشر، تفاعل عكسي، إنزيم.

السياق التاريخي

مختبر القرن التاسع عشر مع علماء فيزيائيين يدرسون مبادئ حفظ الطاقة.

الحفاظ على الطاقة

مبدأ أساسي ينص على أن الطاقة الكلية لنظام معزول تظل ثابتة بمرور الوقت. فالطاقة لا يمكن أن تُستحدث أو تفنى، بل تتحول فقط من صورة إلى أخرى، مثل التحول من طاقة وضع إلى طاقة حركية. في الميكانيكا الكلاسيكية، بالنسبة للأنظمة ذات القوى المحافظة فقط، تكون الطاقة الميكانيكية الكلية [latex]E = T + V[/latex] محفوظة.
إعداد مختبري لقياس لزوجة السوائل عند درجات حرارة متفاوتة في الديناميكا الحرارية.

اعتماد اللزوجة على درجة الحرارة

في السوائل النيوتونية، اللزوجة دالة لدرجة الحرارة والضغط، وليست معدل القص. في السوائل، تنخفض اللزوجة بشكل ملحوظ مع ارتفاع درجة الحرارة، لأن الطاقة الحرارية العالية تُمكّن الجزيئات من التغلب على قوى التماسك بين الجزيئات بسهولة أكبر. على العكس، في الغازات، تزداد اللزوجة مع ارتفاع درجة الحرارة، حيث تؤدي زيادة تصادمات الجزيئات بسرعات أعلى إلى زيادة انتقال الزخم.
تجربة معملية توضّح القانون الأول للديناميكا الحرارية باستخدام إعداد محرك حراري.

First Law of Thermodynamics

القانون الأول هو بيان لحفظ الطاقة. ويفترض أن التغير في الطاقة الداخلية لنظام مغلق ([latex]\Delta U[/latex]) يساوي الحرارة التي يزود بها النظام ([latex]Q[/latex]) ناقص الشغل الذي يبذله النظام على محيطه ([latex]W[/latex]). والمعادلة الحاكمة هي [latex]T\Delta U = Q - W[/latex]. ويربط هذا القانون بين الحرارة والشغل والطاقة الداخلية، ويثبت أن الحرارة شكل من أشكال انتقال الطاقة.

المحفز على التوازن الكيميائي

عالم كيمياء من القرن التاسع عشر يقيس أحجام الغازات لتوضيح قانون الغاز المثالي في الديناميكا الحرارية.

قانون الغاز المثالي (الشكل المولي)

قانون الغاز المثالي هو معادلة الحالة لغاز مثالي افتراضي، وهو يقترب من سلوك العديد من الغازات في ظروف مختلفة. وتربط الصورة المولارية بين الضغط ([latex]P[/latex]) والحجم ([latex]V[/latex]) وكمية المادة بالمول ([latex]N[/latex]) ودرجة الحرارة المطلقة ([latex]T[/latex]) عبر ثابت الغاز العام ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT1T[/latex].
جهاز مختبري لقياس ضغط البخار ودرجة الحرارة في الديناميكا الحرارية.

علاقة كلاوسيوس-كلابيرون

تصف علاقة كلاوزيوس-كلاوس-كلابيرون العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة لمادة ما في مرحلة انتقالية، مثل السائل والبخار. بالنسبة إلى بخار الماء، توضح هذه العلاقة أن ضغط بخار التشبع يزداد أسيًا مع درجة الحرارة. والصيغة التقريبية هي [latex] \frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex]، حيث L هي الحرارة الكامنة.
نظام مكابح التيار الدوامي في بيئة صناعية توضح تطبيقات الكهرومغناطيسية.

التيارات الدوامة (تيارات فوكو)

التيارات الدوامية هي حلقات من التيار الكهربائي المُستحثّ داخل موصلات كبيرة بفعل مجال مغناطيسي متغير، وفقًا لقانون فاراداي. تتدفق هذه التيارات في حلقات مغلقة في مستويات عمودية على المجال المغناطيسي. ووفقًا لقانون لينز، تُنشئ هذه التيارات مجالها المغناطيسي الخاص الذي يُعاكس التغير في التدفق الخارجي، مُسببةً قوة تنافر أو قوة سحب وتسخينًا مقاومًا.
1847
1850
1850
1850
1850
1850
1851
1845
1850
1850
1850
1850
1850
1851
1852
جهاز مختبري لقياس الطاقة الداخلية والإنثالبي لغاز مثالي في الديناميكا الحرارية.

الطاقة الداخلية والمحتوى الحراري للغاز المثالي

بالنسبة إلى الغاز المثالي، تكون الطاقة الداخلية ([latex]U[/latex]) والإنثالبي ([latex]H[/latex]) دالتين لدرجة الحرارة فقط. وتُعطى تغيراتهما من خلال [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] و[latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex]، حيث [latex]c_v[/latex] و[latex]c_p[/latex] هما الحرارتان النوعيتان عند ثبات الحجم والضغط على التوالي، ويُفترض أنهما ثابتتان.
باحث يختبر خصائص اللزوجة المرنة للبوليمر الصناعي في المختبر.

اللزوجة المرنة

اللزوجة المرنة هي خاصية للمواد التي تُظهر خصائص اللزوجة والمرونة معًا عند تعرضها للتشوه. المواد اللزجة، مثل العسل، تقاوم تدفق القص والانفعال خطيًا مع مرور الوقت عند تطبيق إجهاد. أما المواد المرنة، مثل الشريط المطاطي، فتنفعل عند شدها وتعود بسرعة إلى حالتها الأصلية بمجرد زوال الإجهاد. تحتوي المواد اللزجة المرنة على عناصر من كليهما.
عالم يقيس التسامي في مختبر عتيق، دراسة الديناميكا الحرارية.

إنثالبي التسامي

إنثالبي التسامي، [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex]، هو الحرارة اللازمة لتحويل مول واحد من المادة من مادة ما من مادة صلبة إلى غاز عند درجة حرارة وضغط معينين. ووفقًا لقانون هيس، بما أن الإنثالبي دالة حالة، فإن هذا التغير في الطاقة هو مجموع إنثالبي الاندماج ([latex]\Delta H_\\{\text{{fus}}[/latex]) وإنثالبي التبخير ([latex]\Delta H_{\text{vap}}[/latex]).
مهندسون يصممون محركاً حرارياً فعالاً في المختبر، يوضح تطبيقات الديناميكا الحرارية.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يُقدّم القانون الثاني مفهوم الإنتروبيا ويُحدّد اتجاه العمليات التلقائية. يُمكن التعبير عنه بطرقٍ مُختلفة، ولكن إحدى نتائجه الرئيسية هي أن الإنتروبيا الكلية لنظامٍ معزول لا يُمكن أن تنخفض أبدًا بمرور الوقت. يُفسّر هذا القانون "سهم الزمن" ولماذا تكون العمليات غير رجعية، مثل انتقال الحرارة تلقائيًا من جسمٍ ساخن إلى آخر بارد.
مشهد مختبري يوضح التجارب الديناميكية الحرارية على نموذج الغاز المثالي.

The Perfect Gas Model

الغاز المثالي هو نموذج نظري للغاز حيث تُهمل القوى بين الجزيئية ويُفترض أن تكون السعة الحرارية النوعية ([latex]C_P[/latex] و[latex]C_V[/latex]) ثابتة بالنسبة إلى درجة الحرارة. وهذا يبسط الحسابات الديناميكية الحرارية بشكل كبير. إنها حالة محددة للغاز المثالي، حيث يمكن أن تختلف درجات الحرارة المحددة باختلاف درجة الحرارة، مما يجعله نموذجًا أكثر تقييدًا.
مشهد مختبري من القرن التاسع عشر مع لودفيغ بولتزمان وهو يدرس قانون الغاز المثالي في الديناميكا الحرارية الإحصائية.

قانون الغاز المثالي (الشكل الإحصائي)

تعبر صيغة الميكانيكا الإحصائية لقانون الغاز المثالي عن العلاقة بدلالة الخواص المجهرية للغاز. وتربط الضغط ([latex]P[/latex]) والحجم ([latex]V[/latex]) بالعدد الكلي للجسيمات ([latex]N[/latex]) ودرجة الحرارة المطلقة ([latex]T[/latex]) من خلال ثابت بولتزمان ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].
تجربة موصل حامل للتيار توضح تأثير طومسون في الكهرباء الحرارية.

تأثير طومسون

يصف تأثير طومسون تسخين أو تبريد موصل حامل للتيار عند وجود تدرج في درجة الحرارة على طوله. وتنتج الحرارة أو تمتص عندما يتدفق التيار عبر مادة ذات تدرج في درجة الحرارة. ويُعطَى معدل إنتاج الحرارة لكل وحدة طول بالمعادلة [latex]\frac{dQ}{dx} = - \mathcal{K} J \frac{dT}{dx}[/latex]، حيث [latex]\mathcal{K}[/latex] هو معامل طومسون.
جهاز مختبري يوضح تأثير جول-تومسون في الديناميكا الحرارية.

تأثير جول-ثومسون

يصف تأثير جول-ثومسون (أو جول-كلفن) التغير في درجة حرارة غاز حقيقي عند دفعه عبر صمام أو سدادة مسامية مع الحفاظ على عزله (عملية إيزنثالبية). عند ضغط معين، يكون للغاز درجة حرارة انعكاسية. إذا تمدد إلى ما دون هذه الدرجة، يبرد؛ وإذا تمدد إلى ما فوقها، يسخن. يُعد هذا التأثير التبريدي حجر الزاوية في تقنيات التبريد والتسييل الحديثة.

(إذا كان التاريخ غير معروف أو غير ذي صلة، على سبيل المثال "ميكانيكا الموائع"، يتم توفير تقدير تقريبي لظهوره الملحوظ)

أحدث الإضافات

أهم المنشورات والمقالات

جميع مقالات التصميم الأخرى

أفضل الأدوات الأصلية

جميع أدوات الابتكار الأصلية الأخرى.world
السنة العاشرة عيد

الصور بالحجم الكامل والتنزيلات متاحة فقط 100% مجاناً للأعضاء المسجلين.

> تسجيل الدخول <