Термодинамика

Химические реакции могут сопровождаться выделением или поглощением тепла, света, превращениями химической энергии веществ в другие формы энергии, словом - превращениями различных форм энергии.

Термодинамика- это наука, изучающая взаимные превращения различных форм энергии. Она вводит в рассмотрение два новых понятия-внутреннюю энергию и энтропию системы.

Системой называют тело или группу тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособленных от окружающей среды

система окружающая среда

Система называется открытой, если она обменивается веществом и энергией с окружающей средой. Примером открытой системы может служить сам человек.

Система называется закрытой, если она обменивается с окружающей средой только энергией. Примером закрытой системы может служить наша планета, если пренебречь массой космической пыли и метеоритов, выпадающих на Землю, и небольшими потерями массы атмосферы, за счет ее постепенного рассеяния в космическом пространстве.

Система называется изолированной, если она не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Под внутренней энергией системы U понимают общий запас энергии cистемы, включая сюда энергию поступательного и вращательного движения молекул, энергию внутримолекулярного колебательного движения атомов и атомных групп, составляющих молекулы, энергию вращения электронов в атомах, энергию, заключающуюся в ядрах атомов, и другие виды энергии, но без учета кинетической энергии тела в целом и его потенциальной энергии положения.

Каждая термодинамическая система обладает своим запасом внутренней энергии.

U

Общий запас внутренней энергии системы будет тем больше, чем больше масса веществ, входящих в данную систему. Поэтому в химической термодинамике для всех величин, значения которых зависят от количества вещества, вводится понятия мольных величин. В частности, под внутренней энергией вещества понимают внутреннюю энергию 1 моля вещества. В настоящее время пока не имеется возможности определить абсолютную величину внутренней энергии какой-нибудь системы. Однако на основании первого закона термодинамики можно определить изменение внутренней энергии U.

Первый закон (постулат) термодинимики устанавливает, что если к закрытой системе подвести количество тепла Q, и при этом система совершит над окружающей средой работу А,

U Q

A

то изменение внутренней энергии системы U=U₂ - U₁ (где U₂ - внутренняя энергии системы в конечном состоянии, U₁- внутренняя энергия системы в начальном состоянии) определяется уравнением

U= Q - A

Отсюда следует, что в изолированной системе (для которой по определению Q=0, A=0) изменение внутренней энергии равно нулю U=0, т.е. в изолированной системе полный запас внутренней энергии остается постоянным при любых физических или химических процессах, происходящих в этой системе. Первый закон термодинамики является выражением закона сохранения энергии.

Через внутреннюю энергию U в термодинамике вводится новая величина

H=U + PV

которую назвали энтальпией (где P-давление в системе, V- ее объем). В термодинамике доказывается, что тепловой эффект химической реакции (Q)

a_iA_i = b_jB_j + Q

равен убыли энтальпии реакции (H_p), т.е.

Q= -H_p , Дж/моль

(Q>0, если тепло выделяется).

Согласно закону Гесса, тепловой эффект химической реакции H_p зависит только от состояния и тепловых эффектов образования H_f исходных веществ (H_f)_i и продуктов реакции (H_f)_j

H_p=b_j(H_f)_j - a_i(H_f)_i, Дж/моль

Теплотой образования сложного вещества называется тепловой эффект реакции образования данного соединения из простых веществ, отвечающих, как правило, наиболее устойчивым состояниям рассматриваемых элементов при данной температуре и атмосферном давлении. Теплоты образования для многих сложных веществ приводятся в таблицах. Поэтому, если известных теплоты (энтальпии) образования исходных веществ и продуктов реакции, то можно рассчитать и тепловой эффект реакции, протекающей с участием этих веществ. Зная теплоты образования, например 100 различных соединений, можно рассчитать тепловые эффекты не одной сотни, а многих тысяч различных химических реакций, которые составляются из этих веществ в разных комбинациях. В настоящее время известны теплоты образования для десятка тысяч различных веществ.

Таким образом, при постоянном давлении тепловой эффект химической реакции равен изменению энтальпии реакции. Поэтому иногда энтальпию называют теплосодержанием. Один моль каждого индивидуального вещества обладает определенным теплосодержанием. Это теплосодержание является мерой энергии, накапливаемой веществом при его образовании. Если теплосодержание реагирующих веществ больше, чем продуктов реакции, то при реакции тепло выделяется. Если же теплосодержание продуктов реакции больше, чем у реагирующих веществ, при реакции тепло поглощается. То, что в каждом индивидуальном веществе заключено определенное количество энергии, служит объяснением тепловых эффектов реакций.

Второй закон термодинамики устанавливает, что для каждой системы существует такая величина S, называемая энтропией, изменение которой связано с приведенной теплотой процесса Q/T соотношением