Коллоквиум №2 : « Введение в химическую термодинамику и химическую кинетику».

1. Введение в химическую термодинамику.

1.1. Основные понятия и определения химической термодинамики. 1-ое начало (закон) термодинамики.

1. Что является предметом изучения химической термодинамики?

2. Дайте определение понятиям: термодинамическая система, окружающая среда, реагенты, продукты? Какие существуют виды т/д систем? Что их отличает? Приведите примеры различных систем.

3. Что понимают под параметрами термодинамической системы? Перечислите их. Какие параметры называют экстенсивными, а какие интенсивными?

Термодинамические параметры – физические величины, характеризующие состояние термодинамической системы (температура, объем, плотность, давление, масса, намагниченность, электрическая поляризация, теплоемкость при постоянном объеме и другие), т. е. любые признаки, имеющие количественную меру и относящиеся к системе в целом или к ее макроскопическим частям (кроме характеристик потоков энергии и массы, в размерность которых входит время). Величины, количественно выражающие термодинамические свойства (параметры), называют также термодинамическими переменными. Параметры, описывающие состояние системы, называются параметрами состояния. Они делятся на интенсивные и экстенсивные. Интенсивные не зависят от размера системы, а зависят от температуры и давления, экстенсивные зависят от массы и объёма. Изменение одного из параметров приводит к изменению состояния в целом. Все термодинамические параметры системы разделяют на экстенсивные и интенсивные. Параметры, пропорциональные массе данной системы, значение которых равно сумме значений таких же параметров отдельных частей системы, называются экстенсивными параметрами (объем, внутренняя энергия, энтропия, энтальпия, энергии Гиббса и Гельмгольца). Термодинамические параметры, не зависящие от массы термодинамической системы, называются интенсивными параметрами (давление, температура, концентрация, химический потенциал и др.). Экстенсивные параметры характеризуют систему как целое, в то время как интенсивные могут принимать определенные значения в каждой точке системы. Экстенсивные величины, деленные на объем системы, называют плотностями, деленные на количество вещества – мольными свойствами или величинами, а на массу – удельными свойствами. Очевидно, что плотности, мольные и удельные свойства, так же как и частные от деления друг на друга экстенсивных величин, являются интенсивными величинами. Интенсивные параметры отражают физико-химическую индивидуальность вещества, а экстенсивные – конкретный, представленный образец вещества. Как следует из определения экстенсивных параметров, они обладают свойством аддитивности. Для гомогенных систем эти понятия эквивалентны. Однако аддитивность энергии в некоторых системах может не соблюдаться (например, в дисперсных системах или при магнитных, электростатических взаимодействиях частей системы). Свойства таких объектов должны зависеть от размеров и формы частей, и их термодинамический анализ требует особого подхода. Другой причиной неаддитивности экстенсивных свойств может быть не учитываемая в термодинамике взаимная гравитационная энергия масс. Благодаря существованию экстенсивных (аддитивных) величин в термодинамике возможны расчеты свойств сложных систем по свойствам их частей или составляющих веществ. Имея данные об интенсивных (удельных или мольных) свойствах ряда веществ, можно по определенным правилам конструировать из них разнообразные сложные системы и прогнозировать их равновесные свойства.

5. Что понимают под термодинамическим процессом? Какие процессы называют изобарными, изохорными, изотермическими, изобарно-изотермическими, обратимыми и необратимыми? Что их отличает?

Термодинамический процесс. Изменение состояния системы, характеризующееся изменением ее термодинамических параметров, называется термодинамическим процессом. Какие процессы называют изобарными , изохорными, изотермическими, изобарный-изотермическими, обратимыми и необратимыми ? Процессы могут быть: изотермическими (протекают при Т=const), изобарическими (Р=const), изохорическими (V=const), адиабатическими (протекают без теплообмена с окружающей средой). Наибольшее значение в химической термодинамике имеют изобарно-изотермические (Р,Т=const) и изохорно-изотермические (V,Т=const) процессы . Именно в таких условиях протекают все химические реакции. Обратимый термодинамический процесс – процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое, который может протекать как в прямом, так и в обратном направлении через те же промежуточные состояния без каких бы то ни было изменений в окружающей среде. Если же процесс перехода системы из одного состояние в другое нельзя осуществить в прямом и обратном направлениях без изменения в окружающей среде, то его называют необратимым процессом. Очевидно, что всякий квазистатический (равновесный) процесс является обратимым. Примеры необратимых процессов: 1. Процесс теплопередачи при конечной разности температур необратим. Обратимый процесс (как равновесный) начинается с состояния равновесия. Наличие разности температур указывает на неравновесность (нестатичность) процесса. 2. Расширение газа в вакууме необратимo, поскольку при таком расширении не совершается работа, а сжать газ так, чтобы не совершить работы, невозможно. 3. Процесс диффузии необратим. Если в сосуде с двумя различны-ми газами, разделенными перегородкой, убрать перегородку, то каждый газ будет диффундировать в другой. Для разделения газов каждый из них нужно сжимать. Чтобы они не нагревались, необходимо отнять у них те-плоту и превратить в работу, что невозможно без изменения в окружаю-щей среде (второй закон термодинамики).

4. Какие формы обмена энергией между системой и окружающей средой или между системами рассматривает термодинамика? Приведите их символы, дайте соответствующие определения.

5. Что является термодинамическими характеристиками веществ и химических реакций? Что означает понятие функция состояния системы? Какие функции состояния Вы знаете? Как их обозначают? От чего они зависят?

6. Что называют внутренней энергией системы? Почему в термодинамических расчетах используют не абсолютные значения внутренней энергии U, а ее изменения U при переходе системы из одного состояния в другое?

7. Сформулируйте первое начало (закон) термодинамики. Приведите математическое выражение этого закона для изохорного и для изобарного процессов.

1-й закон — первое начало термодинамики: Представляет собой формулировку обобщённого закона сохранения энергии для термодинамических процессов. В наиболее простой форме его можно записать как

,

8. Дайте определение следующим понятиям: внутренняя энергия, энтропия, теплота, работа. Какие из этих величин относятся к функциям состояния? Почему?

Вну́тренняя эне́ргия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.

Энтропи́я (от др.-греч. ἐντροπία - поворот, превращение) — в естественных науках мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов. 

Теплота́ сгора́ния — это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. 

Работа – форма передачи энергии от одной системы к другой, или от системы к ее окружению.

9. Что понимают под энтальпией химической реакции? В каких единицах измеряется? От чего зависит ее величина?

Энтальпи́я,— термодинамический потенциал, характеризующий состояние системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве независимых переменных давления, энтропии и числа частиц. Проще говоря, энтальпия — это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенных температуре и давлении. Энтальпия измеряется - кДж/моль. энтальпия реакции - это разность между суммой энтальпий образования продуктов реакции и суммой энтальпий образования реагентов с учетом стехиометрических количеств веществ

ΔH = ∑(nΔH)_{продукты} - ∑(nΔH)_{реагенты}

Изменение энтальпии не зависит от пути процесса, зависит только начального и конечного состояния системы.

10. Что понимают под энергией Гиббса химической реакции? В каких единицах измеряется? От чего зависит ее величина?

термодинамический потенциал в узком смысле) — это величина, показывающая изменение энергии в ходе химической реакции и дающая таким образом ответ на вопрос о принципиальной возможности протекания химической реакции. Это термодинамический потенциал следующего вида: В химических процессах одновременно действуют два противоположных фактора — энтропийный ( ) и энтальпийный ( ). Разность этих термодинамических факторов является функцией состояния системы, называемой изобарно-изотермическим потенциалом или свободной энергией Гиббса (G, кДж) Характер изменения энергии Гиббса позволяет судить о принципиальной возможности осуществления процесса. При  процесс может протекать, При   процесс протекать не может. (иными словами, если энергия Гиббса в исходном состоянии системы больше, чем в конечном, то процесс принципиально может протекать, если наоборот — то не может). Если же  , то система находится в состоянии химического равновесия. Влияние температуры на направление реакции

По формуле зависимости энергии Гиббса от энтропии, энтальпии и температуры очевидно, что влияние температуры определяется знаком и величиной энтропии. Для реакции, протекающей с увеличением энтропии, повышение температуры уменьшает энергию Гиббса (то есть благоприятствует протеканию процесса). Для реакции, протекающей с уменьшением энтропии, с повышением температуры препятствует протеканию процесса. Это приводит к тому, что некоторые вещества при определенных температурах образуют одни соединения, а при других температурах - другие