Раздел II включает в себя две основных темы: термодинамика химических процессов и кинетика химических процессов.

6.1. Основы термохимии

6.1.1. Основные понятия термодинамики

Термодинамика изучает законы обмена энергии между системой и окружающей средой.

Возникновение термодинамики как самостоятельной дисциплины относится к середине 19 века. В первый период своего развития термодинамика изучала соотношение только между тепловой и механической энергией. Позднее в круг вопросов, которые рассматривает термодинамика, включались и другие вновь открываемые формы энергии (электрическая, химическая и т.д.). Быстро расширялась область практического применения термодинамических методов исследования. Эти методы применялись при изучении самопроизвольных процессов при электролизе, при химических реакциях, в атмосферных явлениях, а также в некоторых процессах, протекающих в животных и растительных организмах. Быстрое развитие прикладных направлений термодинамики привело к выделению их в самостоятельные разделы. Так возникла и наука "химическая термодинамика".

Предметом химической термодинамики служит термодинамическое рассмотрение химических явлений.

Определим основные понятия.

Энергия – это мера взаимодействия и движения материальных систем. Другими словами, энергия – это способность совершать работу.

Выполняя любой эксперимент, мы имеем дело с системой – изолированной или ограниченной частью вселенной. Система – это совокупность тел, которая фактически или мысленно выделяется из окружающей среды и подвергается экспериментальному или теоретическому изучению. Если проводим реакцию в стакане, системой является содержимое химического стакана, а не сам стакан.

Стакан, воздух и все окружающие предметы называются окружающей (внешней) средой.

Различают системы изолированные, закрытые и открытые.

Система
Изолированная	Закрытая	Открытая
Не обменивается с внешней средой ни веществом, ни энергией	Обменивается с внешней средой только энергией	Обменивается с внешней средой и веществом, и энергией
Пример: запаянная и изолированная ампула	Пример: газ в закрытом баллоне	Пример: жидкость в открытом стакане

Свойства систем могут быть интенсивные и экстенсивные.

Свойства систем
Экстенсивные (суммирующиеся)	Интенсивные (выравнивающиеся)
Пример: масса, объем энергия	Пример: температура, давление, концентрация

Обмен энергией между системой и окружающей средой может осуществляться в различных формах. Форм энергии много: тепловая, механическая, ядерная, химическая, световая и др., но существует всего 2 типа энергии: кинетическая (энергия движущегося тела) и потенциальная ( энергия, приобретенная в результате изменения телом и его частями положения в пространстве).

Формы энергии

Тепловая энергия – наиболее известная форма, вид кинетической энергии. Тепловая энергия связана с движением атомов и молекул. Теплотой называют неупорядоченную форму передачи энергии, в отличие от работы – упорядоченной формы передачи энергии.

Примеры тепловой энергии известны всем: холодные и горячие предметы, энергия, которая выделяется в химических реакциях, энергетические эффекты фазовых переходов.

Нельзя путать тепловую энергию и температуру. Теплота – это форма энергии, а температура – условная мера теплового состояния.

Единица тепловой энергии 1 калория. 1 кал – количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 г воды на 1⁰.

В химических реакциях участвуют, как правило, механическая и тепловая формы энергии. Точно установлен и механический эквивалент калории.

1 калория = 4, 184 Дж.

В настоящее время в качестве единицы любой энергии используется единица Дж – джоуль.

1 Дж = 1 Нм = .

(1 Джоуль – это маленькая величина. Для того, чтобы оценить единицу Дж, можно привести следующие данные.

1 Дж – это такое количество тепла, которое позволяет нагреть 1 мл (см³) воды на 0,25⁰. Чаще используют единицу в 1000 раз больше Дж 

кДж  килоджоуль. Для того, чтобы вскипятить 1, 5 л воды требуется 500 кДж, а для того, чтобы выпарить 1,5 л воды необходимо 3000 кДж

Энергия некоторых химических реакций значительна. Так, при сжигании всего 12 г угля выделяется 400 кДж тепла.)

Механическая энергия существует в нескольких видах, но основные – потенциальная и кинетическая энергии.

Электрическая энергия определяется тремя факторами - напряжением (U, В), силой тока (I, A) и временем его протекания (t, c).

Главным образом с этими формами энергии мы имеем дело в химической термодинамике.

Параметры состояния – это переменные величины, определяющие состояние системы. Так состояние газа можно определить с помощью параметров состояния – температуры, давления и объема.

Термодинамические функции состояния характеризуют состояние системы и происходящие с ней изменения.

К термодинамическим функциям состояния относятся:

Термодинамические функции состояния
Функция	Обозначение	Размерность
Внутренняя энергия	U	кДж/моль
Энтальпия	H	кДж/моль
Энтропия	S	Дж/мольК
Изобарно-изотермический потенциал (энергия Гиббса)	G	кДж/моль

Основное свойство любой функции состояния – независимость ее изменения от способа или пути изменения состояния системы.

Например, пусть значение внутренней энергии изменяется от U₁ до U₂.

Такое изменение может происходить различным путем.

Напрямую: U₁  U₂; через промежуточные стадии: U₁  U₃  U₄  U₂.

Изменение внутренней энергии U не зависит от любых промежуточных стадий процесса, а определяется только начальным и конечным состоянием системы, т.е. в обоих случаях U = U₂  U₁ или U = U_КОНЕЧН  U_НАЧ

В термодинамике рассматриваются различные виды процессов.

Процессы
Изобарные	Изохорные	Изотермические
р = const	V = const	T = const
Процессы, протекающие в открытых сосудах или на открытом воздухе.	Процессы, протекающие в замкнутых объемах (например, в закрытых технологических аппаратах).	Процессы, протекающие при постоянной температуре.