Первый закон термодинамики

Тема 1.2. Основы химической термодинамики.

Химическая термодинамика изучает связи между химической и другими видами энергии.

К основным понятиям относятся:

1. Система – это любой материальный объект, который изучает термодинамика. Все, что находится вне системы – окружающая среда. Виды систем:

· гомогенная система – физически однородная система. То есть в любой точке системы термодинамические свойства одинаковы (например, температура, плотность и т.д.);

· гетерогенная – физически неоднородная;

· изолированная система – это система, которая не обменивается с окружающей средой ни массой вещества, ни энергией;

· открытая – это система, которая обменивается с окружающей средой и массой вещества и энергией;

· закрытая – это система, которая обменивается с окружающей средой энергией, а массобмен отсутствует;

· адиабатно-изолированная – система, которая не принимает и не отдает тепло в окружающую среду.

2. Процесс – переход системы из одного состояния в другое при это параметры системы меняются (изотермический, изобарный, адиабатный; обратимый, необратимый; прямой, обратный, круговой; эндотермический, экзотермический).

3.Состояние системы – совокупность термодинамических свойств. Свойства делятся на экстенсивные (они выражают количественные характеристики термодинамической системы пр.: m, V) и интенсивные (выражают качественные характеристики системы пр.: T, P, состав).

4.Функции состояния системы (это любое свойство системы).

Изменение функций состояния системы не зависят от пути перехода, а зависят лишь от начального и конечного состояния системы: ∆Т = Т₂-Т₁;

Изменение функций состояния системы по круговому процессу равно нулю ∆Т_КР =0

5.Функции процесса. К ним относятся работа и теплота. Это формы передачи энергии, т.е. энергообмен системы. Они зависят не только от начального и конечного состояния системы, но и от пути перехода

Работа – это перенос энергии движущейся материи (при перемещении тел в пространстве совершается механическая работа)

Работа [W] = Дж; кДж

W = РD V; W = F×l

Работа бывает положительной и отрицательной. Положительная рабо та – это работа, которую совершает система над окружающей средой. Отрицательная работа – это работа, которую совершает окружающая среда над системой.

Теплота – это внешнее проявление энергообмена частиц в результате их хаотического столкновения друг с другом.

Теплота [Q] = Дж; кДж

Q = СDT

Теплота бывает положительной и отрицательной. Положительная теплота – это теплота, поступающая из окружающей среды в систему. Отрицательная теплота – это теплота, поступающая от системы в окружающую среду.

С – теплоёмкость – способность веществ поглощать теплоту при нагревании

С = Q /DT –теплоёмкость системы, Дж/К.

Виды теплоёмкости:

1) удельная теплоёмкость с _уд = Q/ mDT [с_уд] = Дж/(кг×К)

2) молярная теплоёмкость с _m = Q/пDT [с_m] = Дж/(моль×К)

3) объёмная теплоёмкость с_об = Q/VDT [с_об] = Дж/(м³·К)

Формулы взаимосвязи между этими теплоёмкостями:

С = п·с_m; С =m·с_уд; С =V ·с_об; с_об = с_уд × r; с_m = с_уд × M;

4) Изобарная теплоёмкость при Р = сonst C_p.

5) Изохорная теплоёмкость при V = const C _v.

c _р,m > c_V,m С_р,m – C_V,m = R – уравнение Майера

c_p/c_V = g (гамма) – коэффициент Пуассона или показатель адиабаты, служит для характеристики строения молекул.

6) Истинная теплоёмкость – теплоёмкость при заданной t°.

7) Средняя теплоёмкость С – теплоёмкость в интервале температур.

Теплоёмкость системы – аддитивное свойство, т.е С = С₁ + С₂ +… С_к

(к – число частей системы).

Теплоёмкость, состоящая из к компонентов определяется по правилу смешения

(следствие из закона Дальтона).

c_m = c_m,1 × x₁ +c_m,2 × x₂ + …c_m,k × x_k.

Теплоёмкость зависит от t°, зависимость выражается формулами:

c_р,m = a + bT + cT² (*)

c_p,m = a + bT + c'T ^–2 (**)

а, b, c, c ' – const (табличные значения)

После преобразований данных формул, расчёты средней теплоёмкости ведут по:

(*)

(**)

Когда в системе протекают лишь немеханические процессы (кроме изменения объёма системы V=const) в энергообмене участвует лишь её внутренняя энергия U.

Внутренняя энергия – это энергия изолированной системы

U = Ek + En + Em + Eя

Ek - кинетическая энергия;

En - потенциальная энергия;

Eх - энергия химических связей – взаимодействия внутримолекулярных частиц тела;

Eя – ядерная энергия – энергия взаимодействия внутриядерных частиц тела.

Свойства внутренней энергии обобщается в 1 законе термодинамики или законе сохранения энергии.

Он выражает количественную эквивалентность энергии.

Формулировки 1 закона термодинамики – закона сохранения энергии:

1. Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а переходит из одной формы в другую в строго эквивалентных количествах.

2. В изолированной системе общий запас энергии постоянен.

3. Вечный двигатель 1 рода не возможен, т.к. невозможно создать такую машину, которая совершала бы работу без подведения энергии из окружающей среды

4. Теплота, поступающая в систему расходуется, на изменение внутренней энергии и на работу, которую система совершает над окружающей средой Q=DU+ W

Обобщенное математическое выражение 1 закона термодинамики:

D U = åQ - åW; å (знак суммы).

Изменение внутренней энергии равно теплотам, поступившим в систему за вычетом работ, совершённых системой над окружающей средой, с учётом расширения системы.

Система, окружённая упругой средой (упругой жидкостью, атмосферным воздухом, то есть это экстракционные, ректификационные, массообменные аппараты – открытые системы) дополнительно к внутренней энергией обладает потенциальным запасом энергии PV.

Полная энергия любой открытой системы называется энтальпией Н системы.

Н = U + PV; [H] = Дж

I закон термодинамики имеет следующий вид:

DН = åQ - åW'

åW ' – все немеханические работы (химическая, электрическая, адсорбции), исключая работу расширения системы.

Большинство аппаратов в химической технологии работают в режиме:

V, T = const (изохорно-изотермического процесса)

P, t = const (изобарно-изотермического процесса).

То при отсутствии работ поступающая теплота в систему численно равна теплоте, отводимой от системы.

åQприход = - åQрасход – формула теплового баланса.

Теплота, работа, внутренняя энергия, энтальпия относятся к термодинамическим функциям.

Рассмотрим эти функции в различных термодинамических процессах.

Дата добавления: 2014-11-18