2 Химическая термодинамика

2.1 Основные понятия химической термодинамики

Термодинамика изучает взаимные превращения различных форм энергии.

Химическая термодинамика изучает превращение энергии в химических процессах, а также энергетические характеристики веществ.

Для успешного изучения вопросов, относящихся к химической термодинамике, необходимо уточнить некоторые понятия и термины.

Энергия – это мера способности тела совершать работу. Из всех форм энергии для характеристики химических процессов наиболееважна внутренняя энергия (U) системы. Она складывается из энергий движения молекул, атомов, электронов и ядер, энергии межмолекулярных взаимодействий, внутриядерной энергии и других. Поскольку в системе возможно присутствие и неизвестных науке видов энергии, то измерить абсолютное значение внутренней энегии невозможно. Несмотря на это значимость ее в химической термодинамике высокая, так как можно непосредственно измерить величину изменения внутренней энергии ( U) химических процессов:

U = U₂ – U₁ ,

где U_{1 –} внутренняя энергия начального состояния системы; U_{2 –} внутренняя энергия конечного состояния системы после завершения химического процесса. Величина U измеряется в джоулях (Дж). Разрешено использование единицы измерения калория (кал).

1 кал = 4,184 Дж.

Система – это тело или совокупность тел, находящиеся во взаимодействии, которые выделены фактически или мысленно из окружающей среды. Особенность систем, которые рассматривает химическая термодинамика, заключается в том, что они состоят из большого числа атомов или молекул. Законы химической термодинамики неприменимы к отдельным атомам или молекулам.

Системы бывают:

– изолированные, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом (например, закрытый термос);

– закрытые, которые обмениваются с окружающей средой энер-гией, но не обмениваются веществом (газ, находящийся в баллоне);

– открытые, обменивающиеся с окружающей средой и энерги-ей, и веществом (любое биологическое тело).

Фазой называется однородная часть системы, отличающаяся от других частей по своим физико-химическим свойствам. Гомогенная система не имеет внутри себя поверхностей раздела, которые отделяют отдельные ее части (фазы) друг от друга (например, вода, раствор NaCl). Системы, имеющие внутри поверхности раздела фаз, называются гетерогенными (например, суспензия почвы в воде).

Параметры системы – физические величины, которые характеризуют состояние системы (объем, давление, концентрация, теплоемкость и т.д.). Параметры, которые можно непосредственно измерить с помощью приборов, называются основными (температура, давление и другие). Другие параметры, которые выражаются через основные, называются функциями состояния (внутренняя энергия, энтропия и т.д).

Процесс – изменение одного или нескольких параметров системы. Процессы бывают:

– изотермические, протекающие при постоянной температуре (Т  = const);

– изобарические, которые происходят при постоянном давлении (р = const);

• изохорические, идущие при постоянном объеме (V = const);

– адиабатические, протекающие при постоянстве внутренней энергии (U = const);

– политропические, характеризующиеся постоянной теплоемкостью (pVⁿ = const).

В биологических объектах поддерживается относительно постоянная температура, и процессы протекают при небольших колебаниях давления. Поэтому идущие в них процессы могут быть охарактеризованы как изобарно-изотермические процессы. Следовательно, для описания процессов, протекающих в биологических объектах, можно использовать закономерности, полученные для изобарно-изотермических процессов.

В технологических процессах перерабатывающей промышленности сельскохозяйственной продукции возможны любые сочетания приведенных выше процессов. Например, процессы, проводимые в автоклавах при определенном температурном режиме, будут описываться закономерностями и параметрами изохорно-изотермических процессов.

Термодинамика строится на основе трех фундаментальных принципов – начал термодинамики, которые являются обобщением многочисленных наблюдений и результатов экспериментов. Химическая термодинамика использует начала и законы термодинамики для изучения химических и физико-химических процессов.