Основы химической термодинамики

Предмет и основные понятия химической термодинамики

Важнейшим признаком химических реакций является то, что их протекание сопровождается изменениями энергии. Большая часть энергии, производимая в современном мире, получается в результате химических реакций, главным образом при сжигании угля, нефтепродуктов и природного газа. Таким образом, в химии приходится иметь дело и с веществом, и с энергией. Вопросами изменения энергии занимается термодинамика наука, которая изучает следующие вопросы.

• 1. Переходы энергии из одной формы в другую.
• 2. Энергетические эффекты, сопровождающие различные физические и химические процессы, зависимость их от условий протекания.
• 3. Возможность, направление и пределы самопроизвольного протекания процессов в заданных условиях.

Химические реакции обычно сопровождаются выделением или поглощением энергии в различных формах: световая, электрическая, тепловая.

Раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, зависимость их от состава и строения реагентов и от условий проведения реакций, называется термохимией.

В термодинамике для изучения выделяют термодинамическую систему совокупность тел, выделенную из окружающего пространства и являющуюся объектом исследования. Система может быть закрытой, изолированной и неизолированной.

Чаще всего имеют дело с закрытыми системами, которые не обмениваются с внешней средой веществом, но обмениваются энергией. Если же нет обмена и энергией, то это изолированная система. Практически абсолютно изолированных систем не существует, но бывают системы, которые близки к ним: запаянная ампула с хорошей теплоизоляцией, баллон со сжатым газом и т. п. На практике имеют дело с неизолированными системами, которые обмениваются с окружающей средой веществом и энергией.

Системы могут отличаться количеством фаз.

В гомогенной системе все вещества находятся в одном агрегатном состоянии, в одной фазе.

В гетерогенной системе вещества находятся в различных агрегатных состояниях, нескольких фазах.

Фаза — это часть системы, однородная во всех ее точках по химическому составу и свойствам и отделенная от других фаз системы поверхностью раздела.

Одна и та же система может находиться в различных состояниях. Для характеристики состояния системы используются такие измеримые свойства, как масса (m), температура (Т), объем (V), давление (P), концентрация © и др. термодинамические параметры.

На основании этих простых параметров можно определить другие, более сложные, переменные величины, которые также используются для характеристики состояния системы и тех изменений, которые в ней происходят термодинамические функции. Часть таких функций являются функциями состояния. Это такие функции, которые зависят от начальных и конечных параметров и не зависят от пути процессов. Таковыми являются внутренняя энергия, энтальпия и некоторые другие функции.

Другие термодинамические функции, например, тепловые эффекты (Q) и работа, совершаемая системой (А), не являются функциями состояния.

Внутренняя энергия (U) — это функция состояния, которая характеризует полный запас энергии системы. Ее абсолютную величину нельзя определить, однако на практике достаточно знать изменение энергии при переходе системы из одного состояния в другое.

Изменение состояния системы, сопровождающееся изменением хотя бы одного из параметров системы во времени, называется термодинамическим процессом.

Процессы при постоянной температуре называют изотермическими, при постоянном объеме изохорными, при постоянном давлении изобарными.

Количественное соотношение между изменением внутренней энергии, теплотой и работой устанавливает первый закон термодинамики:

. (4.1).

Первый закон термодинамики является формой выражения закона сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия не исчезает и не возникает, она переходит из одной формы в другую в строго определенных, всегда эквивалентных количествах. В данном случае тепловая энергия Q расходуется на изменение внутренней энергии U и на работу системы против внешних сил или на работу внешних сил над системой, которая обозначается символом, А и которая равна внешнему давлению, помноженному на изменение объема системы V.

Для изохорного процесса первый закон термодинамики запишется в виде.

Для изобарного процесса:

Qp = U + РV = U2 U1 + pV2 pV1 = (U2 + pV2) (U1 + pV1).

Обозначая (U + pV) Н, (4.2).

получаем функцию H, которая носит название энтальпия процесса. Следовательно, для изобарного процесса первый закон термодинамики запишится в виде:

Поскольку значение Н определяется разностью Н2 и Н1 и не зависит от пути и способа проведения процесса, энтальпия является функцией состояния системы (так же как и U).