Вопрос 2Основные понятия химической термодинамики.Поглощение и выделение различных видов энергии при химических превращениях.Теплота и работа.

Основные понятия химической термодинамики.

Химическая термодинамика-это наука, изучающая переход энергии из одной формы в другую при хим.реакции и устанавливающая направление реакции и предел самопроизвольной реакции.Объектом изучения хим.термодинамики являются системы.

Система-это тело или группа тел, мысленно отделенные от окружающей среды. Система может быть:1) изолированной(нет обмена ни теплотой ни веществом с окружающей средой,напр.-термос),2)Закрытой(обмен теплотой или энергией возможен,а веществом нет,напр-термос с дыркой),3)открытая(есть обмен и вещ-вом и энергией,напр.-организм человека).

Системы делятся по количеству фаз:

1)гомогенные(сост.из одной фазы)

2)гетерогенные(несколько фаз)

Фаза-это часть системы, однородная по составу и строению во всех точках и и отделенные от ругих частей системы поверхностью раздела.Состояние системы характеризуется температурой,давлением,концентрацией и др. параметрами.Химическая термодинамика изучает систему в двух равновесных состояниях-начальном и конечном- и устанавливает влияние температуры,давления и концентрации в системе на эти два состояния(начальное и конечное).

В зависимости от условий перехода от начального состояния в конечное в термодинамике различают:

Т=const изотермический процесс

P=const изобарный процесс

V=const

Дельта игрек=адиабатический процесс

Химическая термодинамика базируется на трех законах:

1)q= ΔU+A;q= ΔU+P* ΔV

Термодинамическая система может ссовершать работу только за счет своей внутренней энергии или какого-либо внешнего источника энергии.(q=0,A=- ΔU)

В изолированной системе ΔU=0

2-й закон термодинамики(потсулат Клаузиуса):Теплота самостоятельно не может переходить от холодного тела к горячему.Самопроизвольно идут процессы, при которых системы с большим уровнем энергии переходят в состояние с меньшим.

Внутрення энергия систем-сумма энергий движения частиц из которых состоит система(колеб,вращат.,поступ.,и др.)

Внутренняя энергия-ест функция состояния .Изменение внутренней энергии системы в том или ином процессе не зависит от пути,а зависит только от начального и конечного состояния.

Раздел хим.термодинамики,изучающий тепловые эффекты хим реакций наз.термохимией.

(q= ΔU+P* ΔV+ ΔA(ΔU+P* ΔV=* ΔH-энтальпия)

q=-* ΔH –экзотермическая

-q=* ΔH –эндотермическая

Из первого закона термодинамики следует: Тепловой эффект хим.реакции * ΔН не зависит от пути реакции, а зависит только от начального и конечного состояния вещества.(Закон Гесса)

Первый закон термодинамики позволяет определить количество теплоты, кот.кот.выделяется или поглощается в результате хим.реакции,но он ничего не говорит о направлении хим.реакции.При осуществлении работы все чати системы перемещаются в одном и том же направлении.При передаче теплоты все части системы движутся хаотически.

2-йзакон термодинамики отвечает на вопросы: возможно или нет развитие рассматриваемого процесса, какое направление процесса будет преобладающим, когда в термодинамической системе установится равновесие. А также этот закон помогает определить условия, при которых система совершит максимальное количество работы.

W-термодинамическая вероятеость-число микросостояний,которые могут обеспечить данные макросостояния(очень большая величина;чем больше молекул,тем больше вероятность).

S=klnW (энтропия-мера беспорядка)

k=R/N_A , ΔS= Δq/T=q/T

Изменение энтропии в хим.процессе определяется следующим образом:

ΔS=(cS_C+dS_D)-(aS_A +bS_B)

2-й закон:В изолированной системе самопроизвольно совершаются только те процессы, кот.идут с повышением энтропии системы.

3-й закон термодинамики позволяет определить абсолютную величину энтропии.При 0˚С по Кельвину все вещества будут находиться в критическом состоянии, будет отсутствовать движение за исклюючением движением электронов.

(n₁W=0;S=klnW;T=0,W=1)

Превращения энергии при хим.реакциях.

Хим.реакции протекают с выделением или поглощением энергии. Обычно эта энергия выделяется или поглощается в виде теплоты.Так,горение, соединение металлов с серой или хлором, нейтрализация кислот щелочами сопровождаются выделением значительных количеств теплоты. При этом,такие реакции, как разложение карбоната кальция, образование оксида азота(II) и кислорода, требуют для своего протекания непрерывного притока теплоты извне и тотчас же приостанавливаются, если нагревание прекращается. Ясно, что эти реакции протекают с поглощением теплоты.

Выделение теплоты при взаимодействии различных веществ заставляет признать, что эти вещества еще до реакции в скрытой форме обладали определенной энергией. Такая форма энергии, скрытая в веществах и освобождающаяся при химических, а также при некоторых физических процессах (например, при конденсации пара в жидкость или при кристаллизации жидкости), и называется внутренней энергией вещества.

При химических превращениях освобождается часть содержащейся в веществах энергии. Измеряя количество теплоты, выделяющееся при реакции, (так называемый тепловой эффект реакции), мы можем судить об изменении этого запаса.

При некоторых реакциях наблюдается выделение или поглощение лучистой энергии. Обычно в тех случаях, когда при реакции выделяется свет, внутренняя энергия превращается в излучение не непосредственно, а через теплоту. Например, появление света при горении угля является следствием того, что за счет выделяющейся при реакции теплоты уголь раскаляется и начинает светиться. Но известны процессы, в ходе которых внутренняя энергия превращается в лучистую непосредственно. Эти процессы носят название холодного свечения или люминесценции.

Большое значение имеют процессы взаимного превращения внутренней и электрической энергии. При реакциях, протекающих со взрывом, внутренняя энергия превращается в механическую — частью непосредственно, частью переходя сперва в теплоту.

Итак, при химических реакциях происходит взаимное превращение внутренней энергии веществ, с одной стороны, и тепловой, лучистой, электрической или механической энергии, с другой. Реакции, протекающие с выделением энергии, называют экзотермическими, а реакции, при которых энергия поглощается, — эндотермическими

Теплота и работа.

Энергия, теплота и работа измеряются в одних и тех же единицах-Джоулях.

Когда проявляется теплота,то имеется, по меньшей мере, два тела: одно,которое отдае энергию(с более высокой температурой), и другое( с меньшей температурой), которое получает ее засчет разности температур.

Точно также, когда выполняется работа, имеется тоже, по меньшей мере, два тела: одно,коорое развивает силы, совершающие работу, и другое, к которому эти силы приложены. Первое тело, производящее работу, отдает энергию, второе-получает ее.

То есть понятия “теплота” и ‘работа” связаны с процессом предачи энергии, и не относятся к состоянию системы. Теплота и работа представляют два возможных способа передачи энергии от одного тела к другому.

Ьеплота представляет союой совокупность микрофизических актов процесса передачи энергии(обмен энергией при соударении молекул, атомов,излучение квантов света и т.д.), т.е.неупорядоченного способа обмена энергии между системами вследствие хаотического перемещения частиц, что более вероятно, чем направленное движение всех частиц.

Возникновение теплоты в процессе всегда свидетельствует о малоэффективном способе передачи энергии,т.к.вероятность того, что хаотическое движение получит определенную направленность для совершения работы маловероятно.Поэтому полный переход энергии посредством теплоты в работу невозможен, хотя работа может перейти в теплоту целиком.

Работа-это любая микрофизическая, упорядоченная, направленная форма передачи энегрии засчет передвижения масс под действием каких-либо напрвленных сил.

Работа может быть использована на пополнение различных видов энергии: электрической, магнитной, кинетической и других. Теплота же, как способ передачи энергии, без преобразования ее в работу может пополнить только запас внутренней энергии системы.

Количество поглощенной(выделенной) теплоты в процессе, как и совершенной работы, зависят от способа проведения процесса. Например,проводится ли процесс при постоянном объеме или при постоянном объеме или постоянном давлении.

Кстати,системе энергия может быть сообщена двумя единственно возможными способами: в виде работы А или тепла Q.

Соответственно, и изменение внутренней энергии должно складываться из двух этих величин:количества энергии, переданной в виде тепла Q и энергии, переданной посредством работы-A:

Дельта Q=Q+A

Энергию тела, системы можно изменять, подводя ее в виде тепла и работы.Эти вклады превращаются в единую величину- энергию U. Не существует величины, которую можно было бы назвать теплотой тела Q, как нет внутри тела величины, которую можно назвать работой A/

Следовательно,нельзя говорить о теплоте,как об отдельной(независимой) “форме энергии”,

“запасе теплоты”, “приращении теплоты системы”(тела) и тому подобное, что мы порой делаем.

Употребляя термин “Теплота”, “Тепловой эффект реакции” необходимо представлять себе передачу какой-либо определенной части энергии за счет разности температур между телами. А количество энергии,переданное системой(системе) а процессе рабоы, называют количеством работы или работой.