Лекция 6 Основы химической термодинамики

Слово термодинамика происходит от греческих слов «термос» (теплота) и «динамос» (сила, движение). Она изучает различные формы энергии и их взаимные превращения, возможности превращения энергии в полезную работу. Термодинамика занимается исследованием энергии и работы в макроскопических системах. Это значит, что она рассматривает общие свойства системы в целом, например, давление объем, температуру и не интересуется поведением отдельных частиц (молекул, атомов, электронов), структурой вещества и механизмом различных превращений.

Применение различных законов термодинамики к химическим и физико-химическим процессам является предметом химической термодинамики. Химическая термодинамика изучает превращения энергии при химических реакциях и способность химических систем совершать полезную работу. Знание закономерностей химической термодинамики позволяет:

• предсказать, возможно ли в принципе химическое взаимодействие между данными веществами при определенных условиях;

• предсказать, до какой степени может протекать реакция прежде, чем установится химическое равновесие при данных условиях;

• выбрать оптимальные условия проведения процесса, обеспечивающие получение максимального выхода нужного продукта; рассчитать количество энергии, которое выделится при проведении реакции или необходимо затратить для ее осуществления.

Итак, знание законов химической термодинамики позволяет решать, не прибегая к эксперименту, многие задачи производственной и научно-исследовательской работы.

Основные понятия

Системой называется тело или совокупность тел, находящихся во взаимодействии, и условно обособленных от окружающей среды. Системы можно классифицировать по разным признакам. Так, раствор, находящийся в химическом стакане, представляет собой открытую систему. Так как она может обмениваться с окружающей средой и веществом и энергией. Система. Которая не может обмениваться с окружающей средой ни веществом ни энергией, называется изолированной. Промежуточный случай – это закрытая система, которая может обмениваться с окружением энергией, но обмен веществом невозможен (например, газ, находящийся в металлическом баллоне).

Система называется гетерогенной, если она состоит из различных частей, разграниченных поверхностью раздела. Система, в которой нет поверхности раздела, называется гомогенной.

Совокупность всех физических и химических свойств системы характеризует ее состояние. Величины, которые характеризуют состояние системы и могут быть непосредственно измерены, называются термодинамическими параметрами состояния. Основными параметрами состояния являются: давление Р, объем V, температура Т, концентрация С.

Математическое уравнение, которое связывает параметры состояния, называется уравнением состояния. Как мы знаем, для идеального газа параметры состояния связаны уравнением PV = νRT. Роме параметров состояния в термодинамике широко используются величины, называемые термодинамическими функциями. Это переменные величины, которые не могут быть непосредственно измерены и зависят от параметров состояния. К термодинамическим функциям относятся: внутренняя энергия U, теплота Q, механическая работа А, энтальпия Н, энтропия S , и др.

Термодинамические функции бывают двух видов: функции состояния и функции процесса.

К функциям состояния относятся такие, изменения которых не зависят от пути и способа проведения процесса, а зависят только от начального и конечного состояния системы. Так, например, функцией состояния является внутренняя энергия системы U. Это означает, что если в начальном состоянии системы ее внутренняя энергия равна U₁, а в конечном U₂, то изменение ∆U = U₂ – U₁ не зависит от того, как осуществляется процесс. Измерить абсолютное значение внутренней энергии системы U невозможно. Поэтому измеряют изменение внутренней энергии ∆U. Если внутренняя энергия системы увеличивается, то ∆U>0, если ∆U<0, то происходит уменьшение внутренней энергии системы.

К функции процесса относится теплота Q, единицей измерения которой является Джоуль (Дж). Если теплота поглощается системой, величина Q берется со знаком «+». Знак «-« означает, что теплота отдается системой.

Работа процесса – это энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии и не зависящая от температуры этих тел. Величина механической работы А :

А = F*l,

где F – сила, l – расстояние.

Всякое изменение системы, связанное с изменением хотя бы одного термодинамического параметра, называется термодинамическим процессом. В зависимости от условий, при которых протекает процесс, он может быть:

1. Изохорным, т.е. протекающим при постоянном объеме системы (V = const).

2. Изобарным – при постоянном давлении (Р = const).

3. Изотермическим – протекающим при постоянной температуре (Т = const).

4. Изохорно-изотермическим (V = const и Т = const).

5. Изобарно-изотермическим (Р = const и Т = const).

6. Адиабатным, т.е. когда система не отдает теплоту в окружающую среду и не получает из окружающей среды (Q = 0).