Тема № 2

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ. НУЛЕВОЙ И ПЕРВЫЙ ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

I. МОТИВАЦИЯ ЦЕЛИ: Химическая термодинамика – раздел физической химии, в котором на основе общей термодинамики, рассматриваются взаимные переходы различных видов энергии, связанные с переходом энергии в виде тепла или работы, а также вероятность, направление и пределы самопроизвольного течения процессов в данных условиях. Основные закономерности, изучаемые термодинамикой, позволяют количественно характеризовать течение химических реакций и физико-химических процессов. Термодинамическое описание химического равновесия позволяет регулировать выход лекарственных веществ в реакциях химического синтеза. На основе термодинамических закономерностей можно моделировать различные процессы при температурах, отличающихся от температуры тела человека. Химическая термодинамика позволяет определить параметры, условия и особенности таких технологических процессов, как нагревание, испарение, охлаждение, сушка, перегонка и ректификация, конденсация, кристаллизация, выпаривание, экстракция и многих других, определяющих технологию практически во всех отраслях промышленности.

Знание основ термодинамики необходимо для изучения последующих разделов физической, а также является базовой дисциплиной при изучении коллоидной химии – науки о дисперсных системах и поверхностных явлениях. С позиций термодинамики рассматриваются такие явления как фазовые переходы, возникновение электродного потенциала, адсорбция, смачивание, коагуляция коллоидов, транспорт лекарственных веществ и механизм лекарственного действия.

II. ЦЕЛЬ САМОПОДГОТОВКИ:

1. Изучить возможности химической термодинамики и определить систему как основной объект термодинамики.

2. Усвоить основные понятия термодинамики.

3. Уяснить сущность нулевого и первого законов термодинамики для различных термодинамических процессов и их применение.

3. ИСХОДЫЙ УРОВЕНЬ ЗНАНИЙ: Для усвоения материала данной темы необходимо знать:

   1. Причины выделения или поглощения энергии в химических реакциях.

   2. Виды и единицы измерения энергии, работы.

   3. Основные понятия термодинамики из курса общей химии.

   4. Простейшие приемы интегрирования и дифференцирования.

4. ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

1. Предмет, объекты, задачи и методы химической термодинамики.

2. Основные термодинамические понятия:

- термодинамическая система: открытая, закрытая, изолированная;

- термодинамический параметр: интенсивные и экстенсивные параметры;

- термодинамический процесс: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатический процессы;

- термодинамическое равновесие;

- функции состояния.

3. Внутренняя энергия. Факторы, влияющие на запас внутренней энергии в

системе. Свойства внутренней энергии как функции состояния.

4. Энтальпия, ее связь с внутренней энергией.

5. Теплота и работа как формы передачи энергии.

6. Нулевой закон термодинамики.

7. Первый закон термодинамики: формулировки, математическое выражение для изохорных, изобарных, адиабатических и изотермических процессов.

8. Виды работ. Уравнения для расчета работы при различных процессах.

9. Изменение энтальпии при изохорном, изобарном и изотермическом процессах.

IV. ЛИТЕРАТУРА:

1. А.П. Беляева и др. Физическая и коллоидная химия. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008, с. 21-36.

2. К.И. Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., 1990, с. 12-24.

3. В.А.Киреев Краткий курс физической химии. М., 1978, с. 175-187.

4. А.Г.Стромберг, Д.П.Cемченко. Физическая и коллоидная химия. М., 1999, с. 59-67.

5. К.С. Краснов Физическая химия. - М., Высшая школа, 2001, с. 186-201.

6. Лекционный материал.

V. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Приведите пример термодинамической системы. Назовите признаки открытой, закрытой и изолированной систем.

2. Назовите, какие из перечисленных свойств: температура, концентрация, внутренняя энергия, энтропия, химический потенциал, изобарный потенциал (энергия Гиббса) относятся:

а) к экстенсивным параметрам,

б) к интенсивным параметрам

Ответ обосновать.

3. Перечислите факторы, влияющие на запас внутренней энергии системы.

4. Как внутренняя энергия индивидуального вещества зависит от температуры?

5. Напишите формулу, показывающую, в каком соотношении находятся энтальпия и внутренняя энергия системы?

6. Что общего и чем отличаются между собой понятия теплота и работа?

7. Увеличивается или уменьшается внутренняя энергия (энтальпия) системы при:

а) поглощении системой теплоты;

б) выделении системой теплоты;

в) совершении работы над системой;

г) совершении системой работы?

8. Изменению какой термодинамической функции равняется тепловой эффект необратимого процесса, протекающего при постоянной температуре и постоянном:

а) давлении;

б) объеме?

9. Напишите математическое выражение первого закона термодинамики для бесконечно малого и конечного изменения состояния системы.

10. Если 2 моль гелия нагреть на 1^О в закрытом сосуде объемом 1м³, то чему будет равна работа этого процесса?

11. Напишите формулу, показывающую в каком соотношении находятся величины Н и U для химической реакции. В каких случаях можно пренебречь разницей между H и U?

12. В изолированной системе протекает реакция сгорания этилового спирта с образованием воды и диоксида углерода. Изменяются ли внутренняя энергия и энтальпия системы?

VII. ОБЯЗАТЕЛЬНЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ:

Примеры решения задач

Пример 1. Рассчитайте изменение внутренней энергии гелия (одноатомный идеальный газ) при изобарном расширении от 5 до 10 л под давлением 196 кПа.

Решение. p₁ = p₂ = 196 кПа, V₁ = 5 л, V₂ = 10 л. Начальная и конечная температуры: T₁ = p₁V₁ / nR, T₂ = p₂V₂ / nR. Изменение внутренней энергии идеального газа определяется только начальной и конечной температурой (C_V = 3/2 nR - идеальный одноатомный газ):

U = C_V (T₂-T₁) = 3/2 nR (T₂-T₁) = 3/2 (p₂V₂ - p₁V₁) = 3/2 (196^. 10³) (10-5)^. 10^-3 = 1470 Дж.

Ответ. 1470 Дж.

Пример 2. Один моль водяных паров обратимо и изотермически сконденсировали в жидкость при 100^оС. Рассчитайте работу, теплоту, изменение внутренней энергии и энтальпии в этом процессе. Удельная теплота испарения воды при 100^оС равна 2260 Дж/г.

Решение. В процессе

H₂O_(г)  H₂O_(ж)

произошло обратимое сжатие газа при постоянном давлении p = 1 атм от объема V₁ = nRT/p = 0.082  373 = 30.6 л до объема одного моля жидкой воды V₂  0.018 л. Работа сжатия при постоянном давлении равна:

A = p (V₂-V₁)  -pV₁ = -101.3 кПа 30.6 л = -3100 Дж.

При испарении одного моля воды затрачивается теплота 2260 Дж/г  18 г = 40700 Дж, поэтому при конденсации одного моля воды эта теплота, напротив, выделяется в окружающую среду:

Q = -40700 Дж.

Изменение внутренней энергии можно рассчитать по первому закону:

U = Q - A = -40700 - (-3100) = -37600 Дж,

а изменение энтальпии - через изменение внутренней энергии:

H = U + (pV) = U + p V = U + A = Q = -40700 Дж.

Изменение энтальпии равно теплоте, т.к. процесс происходит при постоянном давлении.

Ответ. A = -3100 Дж, Q = H = -40700 Дж, U = -37600 Дж.

2-1. Газ, расширяясь от 10 до 16 л при постоянном давлении 101.3 кПа, поглощает 126 Дж теплоты. Определите изменение внутренней энергии газа. 

2-2. Определите изменение внутренней энергии, количество теплоты и работу, совершаемую при обратимом изотермическом расширении азота от 0.5 до 4 м³ (начальные условия: температура 26.8 ^оС, давление 93.2 кПа). 

2-3. Один моль идеального газа, взятого при 25 ^oC и 100 атм, расширяется обратимо и изотермически до 5 атм. Рассчитайте работу, поглощенную теплоту, U и H. 

2-4. Рассчитайте изменение энтальпии кислорода (идеальный газ) при изобарном расширении от 80 до 200 л при нормальном атмосферном давлении. 

2-5. Какое количество теплоты необходимо для повышения температуры 16 г кислорода от 300 до 500 К при давлении 1 атм? Как при этом изменится внутренняя энергия? 

2-6. Заполните таблицу:

Работа идеального газа в некоторых процессах расширения V₁ V₂:

Расширение в вакуум
Процесс	W
Расширение против постоянного внешнего давления p
Изотермическое обратимое расширение
Адиабатическое обратимое расширение

2-7. Чайник, содержащий 1 кг кипящей воды, нагревают до полного испарения при нормальном давлении. Определите A, Q, U, H для этого процесса. Мольная теплота испарения воды 40.6 кДж/моль. 

2-8. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагревания воздуха в квартире общим объемом 600 м³ от 20 ^оС до 25 ^оС. Примите, что воздух - это идеальный двухатомный газ, а давление при исходной температуре нормальное. Найдите U и H для процесса нагревания воздуха.

2-9. Один моль паров брома обратимо и изотермически сконденсировали в жидкость при 59^оС. Рассчитайте работу, теплоту, изменение внутренней энергии и энтальпии в этом процессе. Удельная теплота испарения брома при 59^оС равна 184.1 Дж/г.

VIII. ПЛАН РАБОТЫ НА ПРЕДСТОЯЩЕМ ЗАНЯТИИ:

1. Контроль и коррекция выполнения домашнего задания.

2. Разбор основных теоретических вопросов темы.

3. Решение задач.

4. Тестовый контроль.