Первый закон термодинамики

Термодинамика основана на двух законах (началах), особенность которых состоит в том, что они не могут быть выведены, а являются результатом обобщения многовекового человеческого опыта. Математическое выражение первого начала: Q = ∆U + A.

Если работа сводится к расширению или сжатию газа, то Q = ∆U + P∆V и первый закон термодинамики можно сформулировать так: теплота, поглощаемая системой, расходуется на увеличение внутренней энергии и на совершаемую системой механическую работу.

Первый закон термодинамики представляет собой частный случай закона сохранения энергии в применении к процессам, сопровождающимся преобразованием теплоты.

При изохорном процессе ∆V = 0. Уравнение первого начала термодинамики имеет вид:

Q_V = ∆U.

Следовательно, в изохорном процессе вся поглощаемая теплота расходуется на увеличение внутренней энергии системы.

К функции состояния системы относится энтальпия Н – функция, относящаяся к изобарному процессу: Н = U + PV.

Для изобарного процесса ∆Р = 0, то Q_Р = ∆Н. В изобарном процессе количество теплоты измеряется изменением энтальпии.

Термохимия

Термохимия изучает тепловые эффекты химических реакций, т.е. количества теплоты, которая выделяется или поглощается в ходе химической реакции. Термохимия – это применение первого начала термодинамики к химическим процессам. Тепловые эффекты при химических реакциях связаны с разрывом и образованием химических связей. Реакции, которые сопровождаются выделением теплоты, называются экзотермическими (∆Н < 0 ); с поглощением теплоты – эндотермическими (∆Н > 0 ).

Химические уравнении, в которых указан тепловой эффект реакции при постоянном давлении, называются термохимическими уравнениями. При составлении термохимических уравнений должно быть указано агрегатное состояние участвующих веществ.

Основным законом термохимии является закон Гесса Г.И. (1840 г.): Если из данных веществ можно разными способами получить заданные продукты, то тепловой эффект во всех случаях будет одним и тем же». Иными словами: тепловой эффект химической реакции на зависит от пути, по которому она протекает, а определяется только природой и состоянием исходных веществ и продуктов реакции.

А С

Например, реакцию А = В можно провести двумя путями:

1 путь: А → В; ∆Н_1.

2 путь: А → С; ∆Н_2. С → В; ∆Н_3.

В ∆Н₁ = ∆Н₂ + ∆Н_3.

Для термохимических расчетов чаще используют следствия из закона Гесса:

1 следствие: Тепловой эффект химической реакции при стандартных условиях равен сумме стандартных теплот образования продуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты, минус теплоты образования исходных веществ, умноженные на стехиометрические коэффициенты.

∆Н = ∑∆Н - ∑∆Н

Теплотой образования ∆Н данного сложного вещества называется тепловой эффект реакции образования 1 моль этого вещества из простых веществ. Теплоты образования простых веществ равны нулю.

2 следствие: Тепловой эффект химической реакции при стандартных условиях равен сумме стандартных теплот сгорания исходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты, минус теплоты сгорания продуктов реакции, умноженные на стехиометрические кэффициенты.

Теплотой сгорания ∆Н называется тепловой эффект реакции сгорания 1 моль вещества с образованием СО₂, Н₂О, N₂.

Если условия отличны от стандартных, например, температура, то следует использовать теплоемкость. Теплоемкость С – количество теплоты, которое необходимо затратить для нагревания 1 г или 1 моль вещества на 1 градус (или на один Кельвин). В первом случае – это удельная теплоемкость Дж/(г·К); во втором – молярная Дж/(моль·К).

С = Q/∆Т

Закон Кирхгоффа. Температурный коэффициент теплового эффекта реакции при постоянном давлении равен сумме изобарных теплоемкостей продуктов реакции минус изобарные теплоемкости исходных веществ.