Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

_uploads_28_fkx104

.pdf
Скачиваний:
9
Добавлен:
11.02.2015
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Л.И. Холохонова Е.В. Короткая

ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Учебное пособие для студентов вузов

Кемерово 2007

2

УДК: 536 (075) ББК. 22.317я7 Х73

Рецензенты:

Т.Г. Черкасова, д-р. хим. наук, профессор, зав. кафедрой химии и технологии неорганических веществ КемГТУ;

М.М. Колосова канд. хим. наук, доцент, зав. кафедрой химии Кемеровского государственного сельскохозяйственного института

Рекомендовано редакционно-издательским советом

Кемеровского технологического института пищевой промышленности

Холохонова Л.И., Короткая Е.В.

Х73 Законы термодинамики и химическое равновесие: Учебное пособие. – / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2007. – 119 с.

ISBN –

Пособие освещает основные теоретические положения и закономерности химической термодинамики и учения о химическом равновесии, рассматривает методы решения типичных задач. Учебное пособие составлено в соответствии с программой дисциплины «Физическая химия» и предназначено для студентов технологических специальностей всех форм обучения.

УДК: 536 (075)

ББК. 22.317я7

ISBN –

©

©

Л.И. Холохонова, Е.В. Короткая, 2007 КемТИПП, 2007

3

Введение

В пособии рассматриваются основные теоретические положения и закономерности химической термодинамики и учения о химическом равновесии. Инженер любой специальности должен обладать достаточными знаниями в этой области, студенту химическая термодинамика необходима для успешного изучения последующих общенаучных и специальных дисциплин.

При изучении теории (гл. 1, 2) рекомендуем Вам воспользоваться следующими советами.

∙При первом чтении особенно не задерживайтесь на математических выводах, старайтесь получить общее представление об изложенных вопросах. Внимательно прочитайте текст, выделенный жирным шрифтом, рассмотрите схемы, рисунки, графики.

∙При повторном чтении нужно усвоить все теоретические положения, математические зависимости и их выводы. Старайтесь понять сущность, а не запоминать отдельные факты.

∙Задания, которые предлагается выполнять при изучении теоретического материала, очень важны: это лучший способ закрепления опорных знаний и самоконтроля.

Знания и умения, которые Вы получите при изучении гл. 3, помогут овладеть техникой термодинамических расчетов. В этой главе рассматриваются методики решения расчетных задач с подробным описанием хода решения и анализом результатов.

Решая задачи самостоятельно, примите к сведению наши советы.

∙Некоторые задачи требуют длительных расчетов, причем ответы, полученные на отдельных стадиях, далее входят в заключительную стадию вычислений, поэтому не делайте арифметических ошибок, следите за размерностью и порядком величин, не нарушайте правил округления.

∙Научитесь анализировать полученные численные значения величин. Полезно пытаться предсказывать результаты расчетов и затем сравнивать с полученными.

∙Не ограничивайтесь заданиями, входящими в обязательный учебный план; старайтесь решить как можно больше задач. Это позволит Вам полнее раскрыть свой творческий потенциал и добиться успехов в профессиональной деятельности.

4

1. ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

1.1. Что такое химическая термодинамика

Слово «термодинамика» состоит из двух греческих слов «терме» – « теплота» и «динамос» – « сила». Термодинамика возникла как наука о превращениях тепла в механическое движение, в работу. В процессе своего развития термодинамика необычайно расширилась и приобрела характер фундаментальной физической науки.

В основе термодинамики – три закона, которые служат такой же основой для построения «строгого и изящного здания» классической термодинамики, какой являются, например, законы Ньютона в классической механике. Законы термодинамики являются постулатами, справедливость которых подтверждается всем накопленным в результате человеческой деятельности опытом. В отличие от ньютоновской механики или евклидовой геометрии, принятая в термодинамике система постулатов является единственной, пригодной для изучения взаимосвязи материи и энергии. Хотя альтернативные постулаты и могут быть в принципе предложены, в настоящее время они не известны.

Химическая термодинамика изучает, используя термодинамический метод, химические и физико-химические процессы; одна из её основных задач

– предсказание направления химической реакции и расчет равновесного состава системы в зависимости от исходного состава реакционной смеси, её температуры и давления.

Теоретическая база химической термодинамики – три основополагающих закона термодинамики и их следствия, которым в химической термодинамике придаётся форма, наиболее удобная для решения химических проблем.

Огромный вклад в химическую термодинамику внесен Г.И. Гессом (основной закон термохимии, 1840 г), Дж. Гиббсом (метод термодинамических потенциалов 1876 – 78 г.), Г. Гельмгольцем (применение второго закона термодинамики к химическим реакциям, 1882 г.), Я. Вант-Гоффом (термодинамика химических реакций и растворов 1883 – 90 г.), А. Ле Шателье (принцип смещения равновесия 1883 – 88 г.), Б. Нернстом (третий закон термодинамики, 1906 г.), Г. Льюисом (метод активностей) и другими исследователями.

Основные экспериментальные методы химической термодинамики - калориметрия, измерение изменения давления газовых систем при протекании в них химических процессов, измерение электродвижущих сил электрохимических элементов. Для практических расчетов используются таблицы термодинамических свойств индивидуальных веществ и ионов, в которых обычно приводятся значения теплот образования, энтропии, теплоемкости и некоторых вспомогательных функций.

Методы химической термодинамики широко используются не только в химии, но и в биологии, геологии, металлургии.

5

1.2. Основные понятия и определения

Определение

Пример

1.2.1. Параметры и функции состояния системы

Термодинамической системой называется тело или группа тел, находящихся во взаимодействии и условно обособленных от окружающей среды.

В зависимости от рассматриваемого явления система может быть выбрана различного размера и сложности, но все- гда она должна состоять из большого числа частиц, т.е. быть макроскопической. Только для макроскопических систем можно оперировать такими понятиями, как температура, давление, теплота и некоторыми другими.

Система называется закрытой, если она не обменивается с окружающей средой веществом, т.е. не теряет и не получает вещество извне. В дальнейшем мы будем говорить только о за- крытых системах.

Состояние системы есть совокупность физических и

химических свойств, характеризующих данную систему.

Для характеристики состояния системы обычно используют следующие величины:

1)

температура системы

параметры

2)

объем системы

состояния системы

3)

давление в системе

 

4)внутренняя энергия системы

5)энтальпия системы

6)энтропия системы

7) изохорно-изотермический

функции

потенциал системы

состояния системы

 

8) изобарно-изотермический

 

потенциал системы

 

Внутренней энергией системы (U) называется совокупность всех видов энергии, которой обладает система, за исключением кинетической энергии системы в целом и ее потенциальной энергии положения.

Пусть термодинамическая система представляет собой сосуд, в котором находится 1 моль (т.е. 6×1023 молекул) двухатомного газа.

6

В такой системе можно отметить следующие виды движе- ния:

1)

поступательное движение молекул газа, ко-

 

торому соответствует энергия Uпост.,

2)

вращательное движение молекул газа, мерой

 

вращательного движения является энергия

 

Uвращ.,

3)

колебательное движение атомов в молеку-

 

лах, мерой этого движения является энер-

 

гия Uколеб.,

4)

движение электронов вокруг атомов с энерги-

 

ей Uэл.,

5)взаимодействия внутри атомов, характеризующиеся энергией Uяд.

Внутренняя энергия системы, согласно определению, равна:

Uсистемы = Uпост. + Uвращ. + Uколеб. + Uэл.+ Uяд.

Если рассматриваемую в нашем примере термодинамическую систему (баллон с газом) поднять над землей на высоту h , то общая энергия системы увеличится на величину mgh.

E

=

U

+

mgh

полная

 

внутренняя

 

потенциальная

энергия

 

энергия

 

энергия ситемы

системы

 

системы

 

в целом

Если термодинамическая система (баллон с газом) будет дви- гаться со скоростью υ, то общая энергия системы увеличится на величину m×u2/2

E

=

U

+ m ×υ 2 2

полная

 

внутренняя

кинетическая

энергия

 

энергия

энергия ситемы

системы

 

системы

в целом

Однако в соответствии с определением, ни кинетическая энер- гия системы в целом, ни ее потенциальная энергия положения не

включается в понятие внутренней энергии системы.

Определение

Энтальпией системы (H) называется функция состояния

 

системы, которая определяется выражением:

 

 

H = U + P×V

(1.1)

 

 

 

2-е состояние – кристаллическое вещество, находящееся при Т = 10 К (в
таком кристалле будет какое-то количество ато- мов, покинувших свои мес-
та и занявших места в междоузлиях решетки)
Такую систему можно по-
строить большим числом способов.
W >> 1

Определение

Пример

Задание

7

Энтропией системы называется функция состояния системы, которая характеризует хаотичность системы и определяется выражением

S=R×lnW ,

(1.2)

где R – константа Больцмана;

W – термодинамическая вероятность (число способов, которыми можно построить систему).

Пусть термодинамическая система представляет собой 1 моль (т.е. 6×1023 атомов) кристаллического, простого вещест- ва. Рассмотрим два состояния системы:

1-е состояние –

идеальное кристаллическое вещество, находящееся при Т = 0 К (в этом случае ато- мы не колеблются, и потому нет никаких нарушений кри- сталлической решетки ве- щества)

Такую систему можно по- строить только одним спо- собом.

W = 1

Таким образом, из наших рассуждений ясно, что система во втором состоянии (при Т = 10 K) более хаотична и W – является мерой хаотичности системы. (Чем больше W, тем хаотичнее система). Энтропия системы, связанная с W (термодинамиче- ской вероятностью системы) соотношением S=R×lnW, следова-

тельно, также является мерой хаотичности системы.

***

Ответить на вопросы:

что больше а) энтропия 1 моля жидкой воды или энтропия 1 мо- ля льда?

б) энтропия 1 кг железа при Т = 300 К или энтропия

1 кг железа при Т = 800 К?

***

Определение

Определение

8

Изохорно-изотермическим потенциалом системы (или энергией Гельмгольца) называется функция состояния системы, которая определяется выражением:

F = U – T×S

(1.3)

Изобарно-изотермическим потенциалом системы (или энергией Гиббса) называется функция состояния системы, которая определяется выражением:

G = H – T×S

(1.4)

Величина функций состояния системы (U, H, S, F, G) зависит только от состояния системы, но не зависит от того, каким путем система пришла в это состояние, поэтому изменение функций состояния при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 не зависит от пути процесса (см. рис.1.1).

Рис.1.1. Схема термодинамического процесса

U − U =

U

2

1

 

 

H − H =

H

2

1

 

 

S − S =

S

 

не зависят от путипроцесса

2

1

 

 

F − F =

F

2

1

G

G − G =

2

1

 

 

Единицами измерения величин U, H, F, G являются единицы энергии (Дж, кДж), энтропия системы (S) измеряется в Дж/К, кДж/К.

1.2.2. Теплота и работа термодинамического процесса

Определение Термодинамическим процессом называется всякое измене-

ние в системе, связанное с изменением хотя бы одного из свойств системы.

Определение

Пример

9

Пусть термодинамическая система из состояния 1, характеризующегося параметрами P1, V1, T1 и функциями состояния U1, H1, S1, F1, G1 перешла в состояние 2, характеризующееся параметрами P2, V2, T2 и функциями состояния U2, H2, S2, F2, G2, благодаря протекающему в системе термодинамическому процессу (см.

рис. 1.2)

Рис. 1.2 Схема термодинамического процесса

С точки зрения термодинамики суть любого процесса в том, что при его протекании в системе увеличивается или уменьшается интенсивность движения.

Увеличить интенсивность движения в системе можно 2-мя

путями:

 

1) заставить каждую от-

2) вызвать движение зна-

дельную молекулу двигать-

чительных масс вещества.

ся быстрее.

 

Мерой передаваемого таким

Мерой передаваемого таким

путем движения является

путем движения является

величина, которая называ-

величина, которая называ-

ется теплотой процесса.

ется работой процесса.

Пусть термодинамическая система представляет собой 1 моль газа, находящегося в цилиндре с движущимся поршнем.

Чтобы увеличить интенсивность движения в этой системе можно поступить 2-мя путями:

1) закрепить поршень и на- греть газ. В этом случае каж- дая молекула газа начнет дви-

гаться быстрее и движение в системе в целом станет ин- тенсивнее.

В этом случае говорят, что система получила какое-то ко-

личество теплоты.

2) сжать газ с помощью поршня и заставить все мо- лекулы двигаться в одну сто- рону.

В этом случае говорят, что над системой совершена ра- бота.

Теплота

процесса

Работа

процесса

10

Итак, любой термодинамический процесс характеризуется двумя величинами: теплотой и работой. Обе величины являются мерой передаваемого в результате данного процесса движения,

т.е. мерой передаваемой энергии.

Полезно помнить следующие сведения

отеплоте процесса:

1.теплота процесса, приводящего к значительным изменениям в системе (макропроцесс), обозначается Q; приводящего к незначительным изменениям в системе (элементарный процесс), обозначается δQ,

2.теплота измеряется в единицах энергии: Дж, кДж,

3.принято считать, что

Q > 0, если система получает тепло из окружающей среды, Q < 0, если система отдает тепло,

4.теплота процесса, приводящего к изменению температуры системы от Т1 до Т2, может быть вычислена из соотношений:

δQ = С×(T2 – T1) = С×dT:

(1.5)

(для элементарных процессов)

T2

 

 

Q = ∫C ×dT :

(1.6)

(для макропроцессов),

T1

 

 

где С – теплоемкость системы;

оработе процесса:

1.работа процесса, приводящего к значительным изменениям в системе, обозначается A,

работа процесса, приводящего к незначительным изменениям

всистеме обозначается δA,

2.работа процесса измеряется в Дж, кДж,

3.принято считать, что

А> 0, если система совершает работу,

А< 0, если над системой совершают работу,

4.виды работы весьма разнообразны:

работа перемещения заряженных частиц в электрическом поле (электрическая работа), работа перемещения частиц в поле силы тяжести,

работа сил поверхностного натяжения и др.

Работу любого вида можно представить как произведение

двух величин: фактора интенсивности на изменение фактора емкости; так электрическая работа это произведение величины перенесенного заряда (q) на разность потенциалов электрического поля (φ2 – φ1); работа перемещения частиц в поле сил тяжести - произведение силы тяжести (m·g) на перемещение (h2 – h1) и т.д.

В курсе химической термодинамики чаще всего рассмат-