Лекции по ФХ 1 семестр / Лекция 1
.docxВВЕДЕНИЕ
В настоящие время физическую химию трактуют как науку, объясняющую химические явления и устанавливающую их закономерности на основе общих принципов физики.
Физическая химия является базовой дисциплиной, усвоения которой в значительной степени определяет становления высококвалифицированного специалиста - технолога, в какой бы из отраслей промышленного производства ему ни пришлось работать. Она способствует формированию научного и инженерного мышления у студентов, и готовить их к восприятию последующих дисциплин — коллоидной химии, биохимии, физик - химических методов анализа, процессов и аппаратов, специальных технологий.
Физическая химия занимается рассмотрением главным образом двух групп вопросов:
1. Изучением свойств и строения различных веществ (а также частиц, из которых они состоят-молекул, атомов и ионов) в зависимости от их химического состава и химического строения и условий существования.
2. Излучением химических реакций и других форм взаимодействия между веществами или частицами (направление, скорость, молекулярный механизм и термодинамические параметры процесса) в зависимости от их химического состава и строения и от условий, в которых происходит процесс, а также от внешних воздействий - электрических, световых и др.
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА— (ХТ)
Химическая термодинамика даёт возможность инженеру-технологу осмыслить и усвоить суть происходящих технологических процессов, а также решать задачи, связанные с производственной, проектной и научно- исследовательской деятельностью.
ХТ позволяет:
-
Рассчитать тепловой эффект процесса, на базе которого можно определить тепловой баланс технологического цикла, а затем и всего производства;
-
Определить возможность, направление и полноту протекания самопроизвольных процессов и условия равновесия;
-
Рассмотреть оптимальные условия проведения процесса и его изменение в зависимости от внешних условий, главным образом от температуры и давления.
Практическая значимость химической термодинамики заключается в том, что на базе ее законов и положений находят числовые значения параметров, которые дают качественные представления о происходящих процессах. Одним из таких параметров является теплота, которая выделяется или поглощается в результате химического или физико-химического процесса.
Особенности термодинамики:
-
Термодинамический метод применим только к большому числу частиц;
-
Термодинамика дает возможность проведения расчетов без учета механизма процесса;
-
Термодинамика не учитывает скорость протекания того или иного процесса.
Все процессы и явления в термодинамики рассматриваются применительно к термодинамической системе. Существует несколько определений термодинамической системы. Заметим, что часто слово «термодинамическая» опускается и ограничиваются словом «система».
Термодинамическая система—это совокупность тел взаимодействующих между собой и обособленных от окружающей среды реальной или воображаемой оболочкой (границей).
Система делится на 3 типа:
Открытые |
Закрытые |
Изолированные |
Обмениваются с окружающей средой веществом и энергией (напр., теплообменники, насосы, смесители, фильтры и др.) |
Обмениваются с окружающей средой только энергией (напр., батарея центрального отопления, консервная банка). |
Ничем не обменивается с окружающей средой (напр., холодильник, термос).
|
Любая система характеризуется состоянием, параметрами состояния.
Различают экстенсивные и интенсивные параметры.
Экстенсивные параметры, которые зависят от общего количества вещества в системе (V- объём, n-количество, m- масса, C-концентрация, S- энтропия).
Интенсивные параметры—не зависят от количества вещества в системе (T-температура, P-давление, Cp-изобарная теплоемкость, μ- хим. потенциал, N-мольная доля).
Переход системы из одного состояния в другое вследствие изменения хотя одного из параметров, называется процессом.
Термодинамическим параметром называется любая из термодинамических величин, которая служит для характеристики процесса.
∆, d, δ – изменение параметров.
Изменение — это разность между конечным и начальным параметром состояния системы.
Функцией состояния называется функция, изменение которой не зависит от пути протекания процесса, а определяется только начальными и конечными параметрами (состоянием системы).
∆P = P2(конеч.) - P1(начал.) — функция состояния (ф.с.).
Переход из состояния 1 в состояние 2 может быть осуществлены различными путями (а,б,в). Причем величина ∆P не зависит от пути перехода даже в том случае, когда в процессе из одного состояния в другое промежуточное значения функции состояния могут превышать ее конечное значение (напр., кривая в).
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ. ТЕПЛОТА И БАБОТА. СВЯЗЬ МЕЖДУ НИМИ
Внутренняя энергия (U) — это совокупность всех видов энергий частиц, составляющих данное тело, без учета потенциальной и кинетической энергии в целом. Экстенсивная величина.
Энергию можно передать двумя способами:
-
В виде теплоты (за счет хаотического движения частиц) – молекулярно-микроскопический метод (Q, q)- [Дж], кал = 4,1868 (Дж=Н*м)
-
В виде работы (за счет направленного действия одного тела над другим) – макроскопический вид передачи энергии (W, A) - [Дж].
Теплота и работа — это функции процесса, т.к. например, количество теплоты, выделяемой или поглощаемой при переходе системы из одного состояния 1 в состояние 2, зависит от пути перехода.
Для химических и физико-химических процессов передача теплоты часто происходит при постоянном давлении. По этой причине большее практическое значение по сравнению с внутренней энергией приобретает энтальпия.
Если система окружена упругой средой(газом, жидкостью), дополнительно к внутренней энергии она обладает ещё и определенным запасом потенциальной энергии, которая равна произведению давления в системе на ее объем pV. Давление в системе противодействует окружающей среде — ее стремлению сжать систему. Полную энергию подобной системы называют энтальпией и обозначают через ∆Н.
∆Н=∆U+p∆V;
dH=dU+pdV, приp=const
Внутренняя энергия и энтальпия — это функция состояния, т.е. их изменение определяется заданными начальными конечными состояниями системы и не зависят от пути перехода.
Процессы, при которых теплота выделяется, называется — экзотермическими, а процессы, при которых теплота поглощается — эндотермическими.
Q˃0 (∆H˂0) – экзотермический (выделение) энергии;
Q˂0 (∆H˃0) – эндотермический (поглощение) энергии.
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Математическое выражение I закона термодинамики:
Теплота, сообщаемая системе, идет на приращение внутренней энергии и на работу, совершаемую системой.
Q и W –функции процесса (зависят то пути протекания процесса).
Первый закон (или начало) термодинамики, как и остальные законы, является постулатом: оно не может быть доказано логическим путем, а выражается из суммы человеческого опыта.
3- постулата I-закон термодинамики:
-
Разные формы энергии переходят друг в друга в строго эквивалентных количествах;
-
В любой изолированной системе запас внутренней энергии остается постоянным;
-
Невозможно получить работу без затраты энергии.
Пользуясь математическим выражением I закона термодинамики, можно дать термодинамическое определение понятия внутренней энергии как величины, изменение которой является следствием передачи теплоты и совершения работы.
dU= δQ +δW
Первое начало термодинамики можно представить:δQ=dU+pdV+δW’
Именно полезная работа, которая можно получить в результате химических превращений, важна для практики. Примером полезной работы является работа, получаемая с помощью гальванического элемента. В нем химическая энергия превращения в электрическую, которую можно использовать для различных практических целей.
Для идеальных газов полезная работа (δW’=0).
δQ = dU + pdV – работа расширения
Для изолированных системах: U =const
δQ = 0
dV = 0
dU=0 → U=const, т.е. внутренняя энергия изолированной системы есть величина постоянная.