Хімічна термодинаміка

Важливим завданням хімії є вивчення процесів перетворення речовин – хімічних реакцій. Хімічна термодинаміка вивчає переходи хімічної енергії в інші форми – теплову, електричну і т.п., встановлює кількісні закони для переходів, а також напрямок і межі самовільного протікання хімічних реакцій при заданих умовах.

Термодинамічна система

Об’єктом вивчення в термодинаміці є система. Системою називають сукупність речовин, що знаходяться у взаємодії, відокремлену від навколишнього середовища. Розрізняють гомогенні і гетерогенні системи. Гомогенні системи складаються з одної фази, гетерогенні – з двох або декількох фаз. Фаза – це частина системи, однорідна у всіх точках по складу і властивостях і відділена від інших частин системи поверхнею розділу.

Одна і та ж система може знаходитися в різних станах. Кожен стан системи характеризується певним набором значень термодинамічних параметрів. До термодинамічних параметрів належать температура, тиск, концентрація і т.п. Зміна хоча б тільки одного термодинамічного параметру приводить до зміни стану системи в цілому. Термодинамічний стан системи називають рівноважним, якщо вона характеризується сталістю термодинамічних параметрів у всіх точках системи і самовільно не змінюється.

В хімічній термодинаміці властивості системи розглядаються в її рівноважних станах. Уявимо, що деяка система У переходить із рівноважного стану 1, що характеризується температурою Т₁ і тиском р₁ в рівноважний стан 2, що характеризується температурою Т₂ і тиском р₂. Вивчення швидкості процесу переходу системи У із рівноважного стану 1 в рівноважний стан 2 і його молекулярного механізму – область хімічної кінетики. Хімічна термодинаміка вивчає систему в двох рівноважних станах (кінцевому і початковому) і на цій основі визначає можливість (або неможливість) самовільного проходження процесу при заданих умовах у вказаному напрямку, характеризує енергетику змін, що відбуваються в результаті переходу, встановлює значення температури, тиску, концентрації речовин у системі, при яких досягається максимальний вихід продуктів реакції. В залежності від умов переходу системи з одного стану в інший в термодинаміці розрізняють ізотермічні (протікають при постійній температурі), ізобаричні (протікають при постійному тиску), ізохоричні (протікають при постійному об’ємі), адіабатичні (протікають в умовах відсутності обміну теплотою між системою і навколишнім середовищем) процеси.

Хімічні реакції часто протікають в ізобарно-ізотермічних умовах (р = const; T = const). Такі умови дотримуються, коли взаємодія між речовинами відбувається у відкритих посудинах без нагрівання.

Внутрішня енергія системи

Внутрішня енергія (U) системи – це її повна енергія, яка включає кінетичну і потенціальну енергію молекул, атомів, ядер і електронів. Вона включає в себе енергію поступального, обертального та коливного рухів, а також енергію, обумовлену силами притягання й відштовхування, що діють між молекулами, атомами і внутрішньоатомними частками. Вона не включає потенціальну енергію положення системи в просторі і кінетичну енергію руху системи як цілого. Абсолютна внутрішня енергія системи не може бути визначена, але можна виміряти її зміну U при переході з одного стану в інший.

Внутрішня енергія є термодинамічною функцією стану системи. Це значить, що всякий раз, коли система знаходиться в даному стані, її внутрішня енергія приймає властиве даному стану значення. Тому зміна внутрішньої енергії не залежить від шляху і способу переходу системи з одного стану в інший і визначається різницею значень внутрішньої енергії системи в цих двох станах U = U₂–U₁, де U₂ і U₁ – внутрішня енергія системи в кінцевому і початковому станах відповідно.