РОЗДІЛ 5

ЕНЕРГЕТИКА ХІМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

1. Поняття хімічної термодинаміки

Термодинаміка – це вчення про енергію та її перетворення. Вона застосовує закони термодинаміки до вивчення хімічних реакцій та процесів, у результаті яких виникають глибокі зміни фізико-хімічних властивостей речовин, які взаємодіють, при одночасному вилученні або поглинанні теплоти. Хімічна термодинаміка встановлює фундаментальне значення хімічного складу як одного із найважливіших факторів, що визначають поведінку та стан речовини в конкретних умовах.

Вивчення теплових ефектів, які супроводжують хімічні реакції, а також деяких термічних характеристик реагуючих речовин дає змогу встановити критерії самовільного перебігу реакції, а також критерії рівноваги. В результаті виводиться один із найважливіших законів хімії – закон діючих мас, який вивчає концентрації компонентів системи в умовах рівноваги.

2. Термодинамічні системи

Термодинаміка займається вивченням макроскопічних систем, просторові розміри яких і час існування достатні для проведення нормальних процесів вимірювання. Такого роду системи можуть складатися з великої кількості матеріальних часток (наприклад, молекул, атомів, електронів) або полів, наприклад, електромагнітного поля. У будь-якому випадку, ми маємо справу з динамічними системами, із великою кількістю ступенів свободи. Системи з малою кількістю ступенів свободи термодинамікою не розглядаються.

Навколишнє середовище (термостат). Якщо вивчається частина повної системи, тоді інша частина буде називатися навколишнім середови-щем, або оточенням. Більш абстрактно оточення можна розглядати як термостат, який накладає деякі умови на систему, що вивчається (наприклад, умови постійності температури, тиску, хімічного потенціалу, тощо).

Ізольована система. Незалежна система, яка майже не взаємодіє з навколишнім середовищем, називається ізольованою системою.

Замкнута система. Система, яка не обмінюється речовинами з навколишнім середовищем, називається замкнутою системою.

Відкрита система. Система, яка обмінюється речовинами з навколишнім середовищем, називається відкритою системою.

Рівняння стану. Нульовий закон термодинаміки (закон транзитивності теплової рівноваги). Якщо системи А і В знаходяться в тепловій рів-новазі, і системи В і С знаходяться в тепловій рівновазі, тоді системи А і С також знаходяться в тепловій рівновазі між собою:

А ~ В, В ~ С  А ~ С.

Цей емпіричний закон називається нульовим законом термодинаміки.

Термодинамічний стан системи. Цей термін означає теж саме, що й стан теплової рівноваги. Однак, можна вважати, що повна система знаходиться в термодинамічному стані, якщо різні її частини перебувають у термічно рівноважних станах, тоді як для всієї системи в цілому, це несправедливо. Наприклад, якщо в системі, яка складається з двох тіл, А та В, кожне тіло має свою температуру Т_А та Т_В, тоді про повну систему можна сказати, що вона знаходиться в термодинамічному стані, який визначається температурами (Т_А, Т_В). Термічно рівноважні стани, в яких знаходяться відокремлені частини системи, називаються локально рівноважними.

Стан системи може бути визначено сукупністю її властивостей. Усі величини, які характеризують якусь макроскопічну властивість системи, що розглядається, називаються термодинамічними параметрами.

Для опису системи не обов’язково знати усі параметри системи, якщо вони залежать один від одного. Наприклад, для закритої системи – суміші ідеальних газів – достатньо визначити кількість речовини (моль) _i кожного із компонентів, сумарний тиск Р та температуру Т. Тоді відомо об’єм V, оскільки параметри системи пов’язані рівнянням стану ідеальних газів:

PV =(S_i) RT, (24)

а парціальний тиск Р_і кожного з компонентів визначається рівнянням:

Р_iV = _iRT. (25)

Термодинамічні величини. Фізичні величини, які мають певне значен-ня для кожного термічно рівноважного стану системи, називаються термо-динамічними величинами, або функціями стану. До них належать: температура, тиск, внутрішня енергія, ентальпія та ентропія.

Функція стану. Функція F параметрів стану (Р, V, T...) є функцією стану, якщо значення цієї функції залежить тільки від параметрів стану і не визначається процесами, які призводять до цього стану.

Математичне формулювання функції стану виражається таким чином: при безкінечно малому перетворенні зміна dF функції стану F (х, у) виражається повним диференціалом:

. (26)

Таким чином, якщо про якусь функцію говориться, що F – повний диференціал, тоді це означає, що функція F (x, y) – є функцією стану.

Так, наприклад, потенціальна енергія є функцією стану. Розглянемо масу m, яка знаходиться на висоті h₁ над землею і зазнає дії сили тяжіння. Стан 1 визначається величиною h₁ параметру стану h. Потенціальна енергія Е₁ дорівнює:

Е₁ = mgh₁ + k , (27)

де k – стала; g – прискорення сили тяжіння.

На висоті h₂ потенціальна енергія Е₂ буде дорівнювати:

E₂ = mgh₂ + k . (28)

Різниця потенціальних енергій Е₂ - Е₁ складає:

E₂ - E₁ = mg(h₂ - h₁). (29)

Вона не залежить від способу, яким ця маса m переміщується з висоти h₁ на висоту h₂.

Інакше кажучи, яким би чином, наприклад, не був доставлений камінь на вершину гори – гелікоптером, звивистою стежкою чи по канатній до-розі, – потенціальна енергія цього каменя буде визначатися початковим і кінцевим положеннями каменя, тобто висотою гори.