 |
Энергия не возникает из ничего и не исчезает, она может лишь превратиться из одного вида в другой
|
|
|
|
Из школьного курса физики вам известно, что
ТЕРМОДИНАМИКА – это учение о связи и взаимопревращениях различных видов энергии, теплоты и работы.
Та часть термодинамики, которая рассматривает превращения энергии и работы при химических реакциях, называется ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКОЙ.
Введем ряд понятий, которые будут нам необходимы для обсуждения основных положений химической термодинамики.
ХИМИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ называется ограниченная часть пространства, включающая какие-либо вещества. Все, что не входит в систему, называется внешней средой.
ОТКРЫТОЙ СИСТЕМОЙ является такая система, которая может обмениваться с окружающей средой и веществом и энергией. (Пример: стакан с раствором серной кислоты).
ЗАКРЫТОЙ СИСТЕМОЙ называется такая система, у которой отсутствует обмен веществами с окружающей средой, но возможен обмен энергией. (Пример: раствор серной кислоты в запаянной ампуле).
ИЗОЛИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ называется такая система, у которой невозможен обмен с окружающей средой ни веществом (массой) ни энергией. (Пример: раствор серной кислоты в термосе).
Кроме того, системы могут быть: гомогенными и гетерогенными.
ГОМОГЕННЫМИ СИСТЕМЫМИ называются однофазные системы. (Напомним, что фазой называется однородная часть системы. Фазы отделяются друг от друга поверхностью раздела).
ГЕТЕРОГЕННЫМИ СИСТИЕМАМИ называются системы, образованные двумя и более фазами.
(Пример: рассмотрим пробирку с раствором и пробирку заполненную на 0,5 объема раствором и на 0,5 объема воздухом).
ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУКЦИИ
Совокупность всех физических и химических свойств системы характеризует ее состояние. Изменение каких-либо свойств системы вызывает изменение ее состояния. Величины, которые характеризуют состояние системы и могут быть непосредственно измерены, называются термодинамическими параметрами состояния. К этим параметрам относятся:
|
|
|
ü давление Р;
ü объем V;
ü температура Т;
ü концентрация с.
Параметры – это просто числа, получаемые посредством соответствующих измерительных операций. Значения этих параметров определяют условия, в которых находится система, или, что то же, задают состояние системы. Существенно то, что значения параметров отражают только то состояние системы, которое существует в данный момент. Параметры ничего не говорят ни о прошлом, ни о будущем систем. (Привести пример: измеряем температуру воды в сосуде в кухне сегодня, она равна + 220С; завтра +270С. Что происходило с водой – неизвестно). Наиболее характерный признак термодинамического параметра как раз и заключается в том, что его значение не зависит от способа получения этого значения.
В термодинамике, кроме параметров состояния системы, широко используются величины, называемые термодинамическими функциями. Это переменные величины, которые не могут быть непосредственно измерены и их величины зависят от параметров состояния.
К термодинамическим функциям относятся:
· внутренняя энергия U;
· энтальпия Н;
· энтропия S;
· энергия Гиббса G.
Эти функции являются функциями состояния.
ФУНКЦИЕЙ СОСТОЯНИЯ называется такая переменная характеристика системы, которая не зависит от предысториисистемы и изменение которой не зависит от того, каким образом было проведено это изменение.
Пример: камень поднимают в гору. Высота над уровнем моря h1, а высота горы h2. Достигнув вершины камень приобретает дополнительную потенциальную энергию
∆Е = mg(h2 – h1).
∆Е не зависит от выбора пути, ∆Е – функция состояния.
|
|
|
Кроме того, в термодинамике используются еще две функции, которым собственно и посвящена термодинамика. Эти функции не являются функциями состояния. Это работа (А) и теплота (Q).
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Всякое изменение системы, связанное с изменением хотя бы одного термодинамического параметра, называется термодинамическим процессом. Термодинамические процессы бывают разные.
Процессы, протекающие при постоянном объеме (V = Const), называются изохорическими (или изохорными). Примером такого процесса может служить приготовление жаркого в кастрюле скороварке с герметично закрывающейся крышкой.
Процессы, протекающие при постоянном давлении (Р = Const), называются изобарными. Примером такого процесса может служить варка варенья.
Система, находящаяся под атмосферным давлением и увеличивающая свой объем, совершает работу. В любом изобарном процессе совершается работа, равная произведению внешнего давления на изменение объема:
А = Рвнеш. ∆V
Чем больше ∆V, тем больше работа А. В химических реакциях ∆V в основном определяется изменением числа молей газообразных участников реакции, поскольку изменение объемов при твердофазных и жидкофазных реакциях малы.
В общем случае во время химических реакций между системой и средой происходит обмен теплотой Q и работой А в направлении, показанном на следующей схеме:
__________________________________________________
СРЕДА
СИСТЕМА
СРЕДА
____________________________________________________________
Работа, совершаемая системой над внешней средой, считается положительной, а совершаемая над системой – отрицательной. Теплота определяется числом Дж, полученных или отданных системой. Теплота, полученная системой, считается положительной, а отданная системой во внешнюю среду – отрицательной.
Процессы, при которых отсутствует обмен теплотой между системой и внешней средой, называются адиабатическими. Однако чаще выбирают такие условия, при которых обмен теплотой совершается, но температура в системе остается постоянной.
Процессы, протекающие при постоянной температуре (Т = Const), называются изотермическим.
I – ОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
Первое начало, или первый закон термодинамики – закон сохранения энергии. Он гласит:
|
|
|
ЭНЕРГИЯ НЕ ВОЗНИКАЕТ ИЗ НИЧЕГО И НЕ ИСЧЕЗАЕТ, ОНА МОЖЕТ ЛИШЬ ПРЕВРАТИТЬСЯ ИЗ ОДНОГО ВИДА В ДРУГОЙ
Этот закон имеет большое значение для химических процессов и составляет одну из основ термохимии.
При рассмотрении химических процессов возникает главный вопрос – вопрос о происхождении теплового эффекта реакции.
Каждой системе (телу, веществу, совокупности тел, веществ) присущ определенный запас внутренней энергии (U).
Внутренняя энергия складывается из многих составляющих: энергии поступательного и вращательного движения молекул,
энергии внутримолекулярного колебательного движения атомов, составляющих молекулы, а также энергии движения электронов в атомах и энергии, заключенной в ядрах атомов и т.д.
Укажем, что помимо внутренней энергии полная энергия системы включает кинетическую энергию и потенциальную энергию. Кинетическая энергия связана с движением тела, она зависит от массы тела (m) и скорости (V) и равна Екин. = 1/2mv2. Потенциальная энергия – это энергия положения системы по отношению к центру Земли.
Внутренняя энергия является функцией состояния системы, так как она
|
|
|
