Nernst-jafna – Reiknivél
Nernst-jafnan er eitt af grundvallarverkfærum rafefnafræðinnar til að ákvarða hvernig frávik frá staðalaðstæðum hafa áhrif á spennu rafskauts eða sellu. Þessi reiknivél gerir notendum kleift að reikna út jafnvægisspennu út frá staðalspennu, hitastigi og hvarfhlutfalli. Hægt er að slá hvarfhlutfallið inn beint eða byggja það upp efni fyrir efni til að sjá nákvæmlega hvernig hver einasta breyta og styrkur hefur áhrif á lokaniðurstöðuna.
Sérhvert gildi og útreikningur helst í þessum vafra — ekkert er hlaðið upp. Þetta tryggir að vinna með gögn og útreikninga fer eingöngu fram á tölvu eða tæki notandans.
Stærðfræðilegur grundvöllur Nernst-jöfnunnar
Nernst-jafnan lýsir lögmálinu sem tengir saman raforku og efnaorku í kerfum sem eru ekki við staðalaðstæður. Jafnan er sett fram svona:
E = E° − (RT / nF) ln Q
Þar sem breyturnar og fastarnir eru skilgreindir á eftirfarandi hátt:
- E er reiknuð jafnvægisspenna (Spenna E) mæld í voltum.
- E° er staðalspenna E° í voltum.
- R er kjörgasfastinn.
- T er algildishitastig í kelvin (Hitastig T).
- n er fjöldi rafeinda sem flytjast í stilltu efnajöfnunni (Fluttar rafeindir n).
- F er Faraday-fastinn.
- Q er hvarfhlutfallið (Hvarfhlutfall Q).
Reiknivélin notar alltaf fullu hitastigsháðu formúluna með raunverulegum gildum á R og F. Hún styðst ekki við einfaldaða fastann 0.05916 V nema hitastigið sé nákvæmlega 25 °C (298.15 K). Við önnur hitastig breytist gildið á RT/nF í samræmi við raunverulegt algildishitastig.
Inntak og takmarkanir reiknivélarinnar
Til að tryggja stöðugleika og raunhæfa útreikninga gilda ákveðin mörk um þau gildi sem hægt er að slá inn í reiknivélina:
- Staðalspenna E°: Verður að vera á bilinu frá -10⁶ V til 10⁶ V. Ef slegið er inn gildi utan þessara marka birtast villuboðin: Haltu |E°| við eða undir 10⁶ V; athugaðu spennueininguna.
- Fluttar rafeindir n: Verður að vera heil tala á bilinu 1 til 1000. Ef slegið er inn annað gildi birtast villuboðin: n verður að vera heil tala frá 1 til 1000 út frá stilltu efnajöfnunni.
- Hitastig T: Verður að vera yfir alkuli (0 K eða -273.15 °C) og að hámarki 10⁶ K. Ef farið er niður fyrir alkul birtast villuboðin: Hitastig verður að vera yfir alkuli (0 K eða −273.15 °C). Ef farið er yfir efri mörkin birtast villuboðin: Haltu hitastigi við eða undir 10⁶ K; þetta eru öryggismörk fyrir inntak, ekki fullyrðing um gildi líkansins.
- Hvarfhlutfall Q: Þegar valið er Slá inn Q beint verður gildið að vera jákvæð, endanleg og víddarlaus tala. Ef gildið er ógilt birtast villuboðin: Q verður að vera jákvæð, endanleg og víddarlaus tala.
Uppbygging hvarfhlutfallsins úr einstökum efnum
Þegar valið er Byggja Q út frá efnum er hægt að setja saman allt að 8 efni sem taka þátt í hvarfinu. Fyrir hvert efni þarf að tilgreina:
- Efni: Heiti eða tákn (t.d. Zn²⁺).
- Hlið hvarfs: Valið á milli Myndefni eða Hvarfefni.
- Gildi: Virkni, styrkur eða gasþrýstingur, sem verður að vera stærri en núll. Ef gildið er núll eða neikvætt birtast villuboðin: Sérhver virkni, styrkur eða gasþrýstingur sem tekinn er með verður að vera stærri en núll.
- Stuðull: Heil tala á bilinu 1 til 1000. Ef stuðullinn er ógildur birtast villuboðin: Sérhver stuðull verður að vera heil tala frá 1 til 1000.
- Ástand eða eining: Valið á milli Virkni, Vatnslausn (M), Vatnslausn (mM), Vatnslausn (µM), Gas (bar), Gas (kPa), Gas (atm), Hreint fast efni (undanskilið) eða Hreinn vökvi (undanskilið).
Ef efni er stillt á Hreint fast efni (undanskilið) eða Hreinn vökvi (undanskilið) er það undanskilið útreikningnum á Q og fær stöðuna virkni = 1, undanskilið. Við útreikning á Q eru virknigildi myndefna í veldi sinna stuðla margfölduð saman í teljara, og deilt með margfeldi virknigilda hvarfefna í veldi sinna stuðla í nefnara.
Ef reynt er að reikna án þess að bæta við efnum birtast villuboðin: Bættu við að minnsta kosti einu efni áður en Q er reiknað. Ef reynt er að bæta við fleiri en 8 efnum birtast villuboðin: Notaðu að hámarki átta efni í einu hvarfhlutfalli.
Skilningur á niðurstöðum og stöðutilkynningum
Reiknivélin sýnir ítarlega sundurliðun á útreikningnum, þar á meðal gildi eins og Nernst-stuðull RT/nF, Náttúrulegur logri ln Q, Samsetningarleiðrétting og Ónámunduð spenna.
Eftir því hvernig gildi Q þróast birtir reiknivélin mismunandi stöðutilkynningar:
- Q = 1: Stöðutilkynningin er Q = 1, þannig að leiðrétting vegna samsetningar er núll og E = E°.
- Q < 1: Stöðutilkynningin er Q er undir 1, þannig að spennan er yfir E° fyrir hvarfið eins og það er skrifað.
- Q > 1: Stöðutilkynningin er Q er yfir 1, þannig að spennan er undir E° fyrir hvarfið eins og það er skrifað.
- Öfgafull gildi: Ef Q er of stórt eða lítið til að hægt sé að sýna það sem venjulega tölu reiknar tækið ln Q beint í logramálinu til að koma í veg fyrir yfirflæði. Þá birtist tilkynningin: Q er of öfgafullt til að hægt sé að sýna það sem venjulega tölu; spennan helst stöðug vegna þess að ln Q var notað beint.
Ef töluleg gildi fara út fyrir mörk reiknigetu tækisins birtast villuboðin: Hlutfallið eða niðurstaðan er utan leyfilegs talnasviðs. Athugaðu gildi, einingar og stuðla.
Algengar spurningar
Get ég notað styrk í stað virkni?
Styrkur er algeng nálgun fyrir þynntar lausnir og hlutþrýstingur er notaður á svipaðan hátt fyrir lofttegundir. Fyrir sterkar lausnir eða kerfi með háan jónastyrk ætti að nota virknistuðla eða staðfesta formlega spennu í stað þess að meðhöndla styrk sem nákvæma virkni.
Hvað á heima í hvarfhlutfallinu Q?
Margfaldaðu virkni myndefna í veldinu af stilltu stuðlunum þeirra og deildu með samsvarandi gildum hvarfefna. Rafeindir, hrein föst efni og hreinir vökvar eru undanskilin. Ef hvarfinu er snúið við verður Q að gagnkvæmu gildi sínu.
Af hverju birtist hið þekkta gildi 0.05916 V aðeins við 25 °C?
Tíu-logra stuðullinn er 2.303RT/F, þannig að hann breytist með algildishitastigi. Við 298.15 K er hann um 0.05916 V áður en deilt er með n; reiknivélin reiknar alltaf út fullu RT/nF-formúluna.
Hvað þýðir neikvæð reiknuð spenna?
Fyrir þá hvarfstefnu og viðmiðunarvenju sem þú slóst inn þýðir neikvætt E að bakvarfið hefur jákvæða jafnvægisspennu undir þeim skilyrðum. Það eitt og sér segir ekki fyrir um straum, hraða, afl eða afköst undir álagi.