Тема 1.2. Химическая термодинамика

Термодинамика (ТД) — наука, изучающая превращения различных форм энергии друг в друга и устанавливающая законы этих превращений.

На основе законов ТД изучаются работа холодильных машин, процессы в компрессорах, двигателях внутреннего сгорания, реактивных двигателях, электролиз и др.

ТД рассматривает главным образом соотношения между теплотой и работой. Эти понятия справедливы для тел, состоящих из множества молекул — макроскопических систем. При этом во внимание не принимаются поведение и свойства отдельных молекул.

ТД базируется на двух основных законах термодинамики, полученных в результате обобщения значительного опыта и опирающихся на основные законы природы.

Химическая термодинамика — это конкретное приложение законов ТД к физическим и физико-химическим (ФХ) процессам. Ее задачами являются: вычисление тепловых эффектов реакций и ФХ процессов, определение направления и глубины протекания реакций, анализ химических и фазовых равновесий и т.д.

Основные понятия и определения

Система — тело или группа тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от окружающей среды (ОС).

Системы бывают:

1. По обмену с окружающей средой энергией и веществом

• изолированные - не могут обмениваться ни веществом, ни энергией;

• закрытые — могут обмениваться энергией, но не веществом;

• открытые — могут обмениваться и веществом и энергией.

2. По числу фаз:

- гомогенные — состоящие из одной фазы;

- гетерогенные — в состав системы входят несколько фаз, отделенных друг от друга поверхностями раздела.

Под фазой понимают совокупность частей системы, имеющих одинаковый химический состав и ТД свойства, и отделенных от других частей поверхностью раздела фаз.

Совокупность всех физических и химических свойств системы называют ее состоянием. ТД функции, значение которых зависит только от состояния системы, называют функциями состояния. Их изменение в том или ином процессе зависит только от начального и конечного состояний системы и не зависит от пути перехода (внутренняя энергия, энтальпия и др.).

Процесс — переход системы из одного состояния в другое. При этом происходит изменение всех ТД функций состояния.

Не все ТД функции являются функциями состояния. Например, количество теплоты Q, выделяемое или поглощаемое системой, или работа А, совершаемая ей, зависят не только от начального и конечного состояния системы, но и от пути перехода от одного к другому. Это функции процессов.

В каждом теле в скрытом виде заключена энергия, которая зависит от его внутреннего состояния — внутренняя энергия U. В химической ТД под внутренней энергией понимают сумму энергий движения молекул (поступательного и вращательного), энергии колебаний атомов внутри молекулы, а также энергии взаимодействия между молекулами. Т.о., энергия является мерой движения.

Теплота Q — форма передачи энергии от системы к системе за счет хаотического движения частиц.

В ТД теплота, вошедшая в систему, принимается положительной (теплота эндотермической реакции), а вышедшая — отрицательной (теплота экзотермической реакции). В термохимии — науке, изучающей тепловые эффекты реакций и ФХ процессов наоборот: теплота экзотермической реакции (выделяется) считается положительной, а теплота эндотермической реакции (поглощается) — отрицательной.

Работа А — форма передачи энергии от системы к системе за счет направленного движения микро- и макротел.

В ТД работа считается положительной, если ее совершает сама система, и отрицательной, если она совершается над системой.

Теплоемкость — способность веществ поглощать теплоту при нагревании. Если к системе подвести энергию в форме теплоты Q, то ее температура увеличится на ΔТ. Отсюда теплоемкость равна:

С = Q/ΔT

Теплоемкость равна количеству теплоты, которое необходимо для повышения температуры системы на один градус. Теплоемкость зависит от массы (количества) вещества и условий, в которых сообщается телу теплота.

Теплоемкость, отнесенная к массе тела, называется удельной. Теплоемкость 1 моль вещества называют молярной. Также различают истинную теплоемкость — теплоемкость при заданной температуре, и среднюю — теплоемкость в интервале температур.