Энергетические характеристики химических реакций .

Химическая термодинамика - это обобщение термодинамики на случай, когда в системе протекают химические процессы.

Для нас важно осознать термодинамическое описание двух задач:

1. Энергетические характеристики термодинамических систем.

2. Возможности предсказания направлений протекания самопроизвольных химических процессов и способов осуществления целенаправленных химических превращений.

Основные понятия термодинамики.

Понятие энергии - одно из основных физических понятий и потому не имеет исчерпывающего определения. Для наших целей примем, что энергия - это такая характеристика движения и взаимодействия тел, которая связана с их способностью совершать изменения в состоянии системы и внешней среды.

Видов энергии очень много - механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная и т.д. Каждая из них может только видоизменяться, т.е. превращаться в другие виды энергии.

Термодинамическая система и ее состояния

Термодинамическая система - это ограниченная область пространства, занятая ее элементами. Важно, что ограниченная. Граница может быть и физической (стенки сосуда) и мысленной. Все, что вне системы - окружающая среда

Термодинамические системы бывают трех видов:

1. Изолированные (нет обмена ни веществом, ни энергией с окружающей средой). Пример - герметичный сосуд с газом с теплоизоляционной оболочкой, Вселенная в целом.

2. Замкнутые (нет обмена веществом с окружающей средой). Пример - герметичный сосуд.

3. Открытые (есть и энерго- и массообмен с окружающей средой). Пример - костер, человек.

В химической термодинамике изучаются только изолированные и замкнутые системы.

Различают равновесные и стационарные состояния систем. Равновесные системы самопроизвольно не изменяют своих состояний. Стационарные системы самопроизвольно не изменяют свою структуру.

Параметры термодинамической системы

Состояния систем характеризуются параметрами состояния и функциями состояния.

Параметры состояния системы - это набор независимых свойств, полностью характеризующих систему. Например, для идеального газа достаточно любых трех из четырех параметров - давления P, объёма V, температуры T и количества молей . Выбрав три, мы по уравнению состояния (в данном случае это будет уравнение Менделеева-Клапейрона) найдем четвертый:

PV= RT

Для более сложных систем могут появиться дополнительные параметры состояния - например, химический состав.

Параметры делятся на интенсивные и экстенсивные. Интенсивные параметры не зависят от количества вещества в системе (давление, температура, напряженность электрического поля и др.), а экстенсивные - зависят (объем, масса, заряд и др.)

Функци состояния термодинамической системы

Параметры состояния определяют функции состояния, тем или иным образом однозначно характеризующие энергию этого состояния. Однозначность проявляется в том, что функции состояния не зависят от истории системы, т.е. от того, как она попала в данное состояние.

Отметим пока в качестве примера такую функцию состояния системы как внутренняя энергия U.

Термодинамические процессы

Особую форму в термодинамике имеет время. Оно лишено такого своего качества, как длительность и проявляется только как изменение. В термодинамике не рассматривается ход процесса, а только его результат. Событие в термодинамике - это изменение равновесных параметров в ходе термодинамического процесса.

По разным признакам в термодинамике процессы классифицируются так:

1. По конечному результату - разомкнутые и циклические, в результате которых параметры приобретают исходные значения.

2. По характеру взаимодействия с окружающей средой: обратимые и необратимые. Обратимые процессы не оставляют изменений в окружающей среде.

3. По местонахождению причины: самопроизвольные (причина - в самой системе) и вынужденные (причина - в окружающей среде)

4. По пути проведения процесса: изотермический (при постоянной температуре), изобарический или изобарный (при постоянном давлении), изохорический (при постоянном объеме).

Первый закон (Первое начало) термодинамики. Внутренняя энергия системы и энтальпия.

Сформулируем два понятия, характеризующие механизм передачи энергии от системы к окружающей среде и в обратном направлении.

Теплота (тепло) Q - энергия, передающаяся за счет хаотического движения элементов системы и окружающей среды.

Работа W - энергия, передающаяся за счет упорядоченного поступательного движения потока большого числа элементов системы или окружающей среды.

Ни теплота, ни работа с точки зрения Первого начала термодинамики, не являются функциями состояния системы. Они зависят не только от параметров системы, но и от пути проведения процесса.

Дадим определение внутренней энергии системы U.

Внутренняя энергия системы U - это суммарная энергия всех составных частей системы и их взаимодействий.

Она НЕ ВКЛЮЧАЕТ кинетической и потенциальной энергии системы как целого.

Что же она ВКЛЮЧАЕТ? Это кинетическая энергия хаотического теплового движения частиц системы, потенциальная энергия их взаимодействия, обусловленная структурой системы, энергия электронов на атомных и молекулярных орбиталях, энергия связи в атомных ядрах, энергия элементарных частиц.

В термодинамических процессах изменяются только кинетическая энергия хаотического теплового движения частиц системы, потенциальная энергия их взаимодействия, обусловленная структурой системы и энергия электронов на атомных и молекулярных орбиталях.