Домашнее задание

1. Найти изменение внутренней энергии при испарении 90 г воды при температуре ее кипения. Скрытая теплота парообразования воды 40714,2 Дж/моль, удельный объем водяного пара 1,699 л/г, давление 101325 Па.

2. Внутренняя энергия при испарении 90 г воды при 100С возросла на 188,1 кДж. Определите теплоту парообразования воды (Дж/моль). Удельный объем водяного пара равен 1,699 л/г, давление 1,013310⁵ Па.

3. Какая работа будет совершена, если 51 г аммиака, занимавшего при 27°С объем 25 л, расширяется при постоянной температуре до объема 75 л?

4. Чайник, содержащий 1кг кипящей воды, нагревают до полного испарения. Рассчитать работу и изменение внутренней энергии для этого процесса, если молярная теплота испарения воды равна 40,6 кДж/моль

5. Какую работу могут совершить 12 кг водорода при повышении температуры на 12°С при постоянном давлении?

6. 10 кг воздуха изотермически расширяются при 17°С от давления 10,25∙10⁵ Па до давления 1,342∙10⁵ Па. Определить объемы вначале и в конце процесса расширения, совершенную работу и количество подведенного тепла.

7. Определить работу (Дж), необходимую для изотермического сжатия при 15С 60 г кислорода от объема 20 л до объема 1л.

Подготовиться к проверке по теме 1 и выучить основные определения и формулы темы 2

2 Приложения первого начала термодинамики к химическим процессам

Закон Гесса

Как известно, большинство химических реакций сопровождаются выделением (экзотермические реакции) либо поглощением (эндотермические реакции) теплоты. Первое начало термодинамики дает возможность рассчитать тепловой эффект химической реакции при различных условиях её проведения.

Тепловой эффект (теплота) химической реакции – количество теплоты, выделившейся либо поглотившейся в ходе реакции. Тепловой эффект относят, как правило, к числу молей прореагировавшего исходного вещества, стехиометрический коэффициент перед которым максимален.

Например, реакцию окисления водорода в химической термодинамике записывают в виде:

и тепловой эффект рассчитывают на 1 моль водорода.

Химические уравнения с указанием тепловых эффектов химических реакций и агрегатного состояния реагирующих веществ называются термохимическими уравнениями. Тепловые эффекты, сопровождающие протекание химических реакций, являются предметом одного из разделов химической термодинамики – термохимии.

Теплота образования вещества – тепловой эффект реакции образования 1 моля сложного вещества из простых. Теплоты образования простых веществ принимаются равными нулю.

Теплота сгорания вещества – тепловой эффект реакции окисления 1 моля вещества в избытке кислорода до высших устойчивых оксидов.

Теплота растворения – тепловой эффект процесса растворения 1 моля вещества в бесконечно большом количестве растворителя. Теплота растворения складывается из двух составляющих: теплоты разрушения кристаллической решетки (для твердого вещества) и теплоты сольватации:

Поскольку ΔН_кр.реш всегда положительно (на разрушение кристаллической решетки необходимо затратить энергию), а ΔН_сольв всегда отрицательно, знак ΔН_раств  определяется соотношением абсолютных величин ΔН_кр.реш. и ΔН_сольв:

Основным законом термохимии является закон Гесса, являющийся частным случаем первого начала термодинамики: 

Тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических или изохорно-изотермических условиях, зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания.

Это означает, что если из данных исходных веществ можно получить одни и те же конечные продукты различными путями, то, независимо от вида промежуточных реакций, суммарный тепловой эффект будет одним и тем же.

Выше было показано, что изменение энтальпии ΔН (тепловой эффект изобарного процесса Q_p) и изменение внутренней энергии ΔU (тепловой эффект изохорного процесса Q_v) не зависят от пути, по которому система переходит из начального состояния в конечное.

Рассмотрим некоторый обобщенный химический процесс превращения исходных веществ А₁, А₂, А₃... в продукты реакции В₁, В₂, В₃..., который может быть осуществлен различными путями в одну или несколько стадий:

Согласно закону Гесса, тепловые эффекты всех этих реакций связаны следующим соотношением:

Практическое значение закона Гесса состоит в том, что он позволяет рассчитывать тепловые эффекты химических процессов. В термохимических расчетах обычно используют ряд следствий из закона Гесса:

Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции (закон Лавуазье – Лапласа).