Ответы на экзаменационные вопросы 2014 года.

Глава 3. Основы химической термодинамики и биоэнергетики (1-4)

1. Основные термодинамические понятия: система, фаза, виды систем и их состояний. Экстенсивные и интенсивные параметры состояния системы. Термодинамические процессы и их характеристики.

Системой называют тело или группу взаимодействующих тел, фактически или мысленно выделяемых из окружающей среды.

В зависимости от однородности различают гомогенные и гетерогенные системы.

Гомогенная система – это однородная система, в которой нет частей, различающихся по свойства и разделенных поверхностями раздела. (Воздух, вода, истинные растворы).

Гетерогенные система – это разнородная система, состоящая из двух или более частей, отличающихся по свойствам, между которыми есть поверхность раздела, где свойства систем резко меняются. (Молоко, цельная кровь, смеси воды и льда, воды и масла).

В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой различают системы:

Изолированная система характеризуется отсутствием обмена энергией и веществом с окружающей средой.

Закрытая система обменивается с окружающей средой энергией, а обмен веществом исключен.

Открытая система обменивается с окружающей средой энергией и веществом, а, следовательно, и информацией.

Термодинамическая фаза— термодинамически равновесное состояние вещества, качественно отличное по своим свойствам от других равновесных состояний того же вещества. Подразумевается способность вещества переходить из одной фазы в другую. Разные фазы вещества могут иметь границу (поверхность) раздела между собой.

Термодинамическое равновесное состояние системыхарактеризуется постоянством всех свойств во времени в любой точке системы и отсутствием потоков вещества и энергии в системе.

Стационарное состояние системы характеризуется постоянством свойств во времени, которое поддерживается за счет непрерывного обмена веществом, энергией и информацией между системой и окружающей средой.

Переходное состояниехарактеризуется изменением свойств системы во времени.

Экстенсивные параметры– параметры, значения которых пропорциональны числу частиц в системе (масса, объем, количество вещества).

Интенсивные параметры– параметры, значения которых не зависят от числа частиц в системе (температура, давление, концентрация).

Термодинамические процессы:

- Изотермический процесс, T=const,ΔT=0

- Изобарический процесс, p=const, Δp=0

- Изохорический процесс, V=const, ΔV=0

Учебник: 73-79.

2. Энтальпия системы и стандартная энтальпия образования простых и сложных веществ. Какие факторы влияют на энтальпию образования вещества? Энтальпия химической реакции. Закон Гесса и следствия из него.

Энтальпия– ТД функция, характеризуется энергетическое состояние системы при изобарно-изотермических условиях.

Стандартная энтальпия образования простых веществв их наиболее термодинамически устойчивом агрегатном и аллотропном состоянии при стандартных условиях принимается равной нулю.

Стандартная энтальпия образования сложно веществаравна энтальпии реакции получения 1 моль этого вещества из простых веществ при стандартных условиях.

Закон Г.И. Гесса: «Энтальпия реакции, т. Е. тепловой эффект реакции, зависит только от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов и не зависит от пути, по которому протекает реакция».

Первое следствие:Энтальпия реакции равна разности алгебраической суммы энтальпий образования всех продуктов реакции и алгебраической суммы энтальпий образования всех исходных веществ.

Второе следствие: «Энтальпия прямой реакции численно равна энтальпии обратной реакции, но с противоположным знаком».

Учебник: 80-81.

3. Энтропия системы. Факторы, влияющие на энтропию системы. Стандартная энтропия образования вещества и энтропия химической реакции. Формулировка II закона термодинамики для изолированных систем.

Энтропия (S)– термодинамическая функция, характеризующая меру неупорядоченности системы, т.е. неоднородности расположения и движения ее частиц.

Энтропия простых веществ зависит от аллотропной формы.S(C_графит) > S(C_алмаз), S(O₂) <S(O₃).

Энтропия системы при повышении температуры возрастает, так как увеличивается неупорядоченность движения частиц:

Если T₁>T₂, то S₁>S₂

Энтропия системы при повышении давления уменьшается, так как снижается неупорядоченность движения частиц:

Если p₁>p2, то S₁<S₂

Энтропия системы с увеличением ее сложности повышается, так как возрастает число видов частиц и вариантов их расположения.

Стандартная энтропия S⁰, т.е. энтропия при давлении р=1,01·10⁵ Па (1 атм);

Стандартная энтропия химической реакции  т.е. разница стандартных энтропий продуктов и реагентов.

Формулировка II закона термодинамики для изолированных систем: «В Изолированных системах самопроизвольно могут совершать только такие необратимые процессы, при которых энтропия системы возрастает, т.е. ΔS>0

Учебник: 85-86.

4. Энергия Гиббса системы, стандартная энергия Гиббса образования вещества. Термодинамические критерии самопроизвольного протекания процесса – общая формулировка II-го закона термодинамики для любых систем.

Энергия Гиббсаявляется обобщенной термодинамической функцией состояния системы, учитывающей энергетику и неупорядоченность системы при изобарно-изотермических условиях.

G=H-TS

Под стандартной энергией Гиббса образования ΔG°, понимают изменение энергии Гиббса при реакции образования 1 моль вещества, находящегося в стандартном состоянии. Это определение подразумевает, что стандартная энергия Гиббса образования простого вещества, устойчивого в стандартных условиях, равна нулю. Термодинамический критерий самопроизвольности протекания процесса:

ΔG< 0 – экзэргонические (самопроизвольные) процессы

ΔG> 0 – эндэргонические процессы

ΔG= 0 – химическое равновесие

Общая формулировка II-го закона термодинамики для любых систем:«В системе при постоянной температуре и давлении самопроизвольно могут совершать только такие процессы, в результате которых энергия Гиббса уменьшается, т.е.ΔG_кон < ΔG_нач, или ΔG<0.

Учебник: 86 – 88.