Глава 3.

Критерии направленности процессов.

Химическое равновесие.

3.1. Цели изучения.

Изучив этот раздел , Вы сможете :

1. отличить изолированную термодинамическую систему от закрытой и открытой системы;

2. различать равновесные и неравновесные процессы;

3. различать обратимые и необратимые процессы;

4. различать самопроизвольные и не самопроизвольные процессы;

5. рассчитывать критерии возможности самопроизвольного протекания процесса в изолированных и закрытых системах;

6. рассчитывать энтропию вещества и изменение энтропии в ходе химической реакции при различных температурах;

7. рассчитывать изменение энергии Гиббса в ходе химических превращений;

8. использовать изменение энергии Гиббса как критерий возможности протекания процесса при заданных условиях (т.е. при заданных значениях концентраций реагентов и продуктов, температуре, давлении.);

9. определять условия самопроизвольного протекания процесса, т.е. определять концентрации реагентов и продуктов (или парциальных давлений реагентов и продуктов для газо-фазных реакций), область температур и давлений, при которых процесс протекает самопроизвольно;

10. использовать критерии для определения условий, при которых устанавливается химическое равновесие;

11. рассчитывать значение константы химического равновесия (Equilibrium constant) при различных температурах протекания процесса;

12. использовать константу равновесия для расчета глубины протекания процесса, т.е. расчета равновесных концентраций и равновесных степеней превращения при заданных значениях температуры и давления;

13. рассчитывать условия протекания процесса (температура, давление, соотношение между реагентами), при которых достигается степень превращения;

14. различать идеальные и реальные термодинамические системы;

2. Основные понятия и закономерности.

1. Термодинамической системой (Thermodynamic system) называют совокупность тел, способных обмениваться с другими телами или между собой энергией и (или) веществом.

2. Термодинамические системы различают по характеру (природе) взаимодействия с окружающей средой (другими системами).Если термодинамическая система может обмениваться с другими системами веществом, ее называют открытой системой (open system). Закрытая система (Closed system) не может обмениваться веществом с другими системами, а изолированная система (Isolated system) – ни веществом, ни энергией.

3. Изменение состояния термодинамической системы, характеризующееся изменением ее термодинамических параметров, называют термодинамическим процессом (Thermodynamic process). Все естественно происходящие, т. е. самопроизвольные процессы являются необратимыми (Irreversible process). После протекания такого процесса система и окружающая среда не могут возвратиться в начальное состояние без возникновения остаточных изменений в системе или окружающей среде. Такие процессы протекают в определенном направлении без затрат энергии (самопроизвольные процессы) из внешней среды и завершаются установлением состояния равновесия (Equilibrium state), которые характеризуются при постоянных внешних условиях неизменностью параметров отсутствием в системе потоков.

4. Процесс, после которого система может быть возвращена в первоначальное состояние без каких-либо изменений во внешней среде и в самой системе, называют обратимым процессом (Reversible process). Такой процесс представляет собой последовательность непрерывных состояний. Обратимый процесс является идеализированным гипотетическим процессом, недостижимым в реальных условиях. В ходе его совершается максимальная работа, поэтому он используется в качестве стандарта при оценке эффективности реального процесса.

5. Энтропия (S) – экстенсивная функция состояния термодинамической системы, определяемая тем, что ее дифференциал (dS) при элементарном обратимом процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты (),сообщенной системе к термодинамической температуре (T) системы:

(3.1.)

Для необратимого (самопроизвольного) процесса:

(3.2.)

5. В изолированной системе () самопроизвольно протекают процессы, идущие с ростом энтропии.Соотношение

является критерием возможности протекания процесса в

изолированной системе.

5. Влияние температуры на энтропию описывается (при изобарном процессе) уравнением:

(3.3.)

Поскольку теплоемкость , то энтропия вещества всегда

возрастает с ростом температуры.

Если в интервале температур нет ни модификационных ни

фазовых превращений, то изменение энтропии при нагревании моля

любого вещества:

(3.4.)

Интегрирование с учетом температурной зависимости теплоемкости ()

приводит к:

(3.5.)