Химическая термодинамика

Введение в физическую и коллоидную химию.

План лекции

1. Введение. Определения и сущность явлений изучаемых физической и коллоидной химией.

2. Введение в химическую термодинамику.

3. Понятия: система, параметры системы, функции состояния системы, термодинамические процессы.

4. Функции системы: внутренняя энергия и энтальпия. Математические выражения для них, их взаимосвязь.

5. 1 закон термодинамики – закон сохранения энергии.

6. 2 закон термодинамики. Однонаправленность процессов.

7. Свободная энергия системы. Самопроизвольные процессы.

Термин «физическая химия» и определение этой науки впервые были даны М.В. Ломоносовым. «Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях».

Современное определение: Физическая химия – наука, объясняющая химические явления и устанавливающая их закономерности на основе общих принципов физики.

Современная физическая химия изучает много разнообразных явлений и, в свою очередь, разделяется на крупные, практически самостоятельные разделы области науки – электрохимию, фотохимию, химическую термодинамику и т. д. Но и сегодня основной задачей физической химии является изучение взаимосвязи физических и химических явлений.

Физическая химия-это не только теоретическая дисциплина. Знание законов физической химии позволяет понять сущность химических процессов и сознательно выбирать наиболее благоприятные условия для их практического осуществления. В основе многих процессов, протекающих при производстве металлов и их сплавов, получении пластмасс, химических волокон, удобрений, лекарственных препаратов, неорганических веществ, лежат законы физической химии.

Одним из разделов физической химии, который превратился в самостоятельную науку, является коллоидная химия. В коллоидной химии изучаются свойства систем, в которых одно вещество, находящееся в раздробленном (дисперсном) состоянии в виде частиц, состоящих из множества молекул, распределено в какой-либо среде (такие системы называются коллоидными). В коллоидную химию также в виде самостоятельного раздела входит физикохимия высокомолекулярных соединений или полимеров – природных (белка, целлюлозы, каучука и др.) и синтетических, имеющих молекулы очень больших размеров.

Большое значение физколлоидная химия имеет для пищевой технологии. Используемое для пищевой промышленности сырье и получаемые на предприятиях пищевой промышленности продукты питания в большинстве случаев являются или коллоидными системами, или ВМС. Такие распространенные в химии пищевой промышленности технологические операции как уваривание, сепарация, дистилляция, экстракция, кристаллизация и растворение, гидрирование могут быть поняты только на основе законов физической химии. Все биохимические процессы, лежащие в основе ряда пищевых производств, также подчиняются законам физической химии.

На методах физколлоидной химии основан и технохимический контроль пищевых производств: определение кислотности, содержание сахаров, жира, воды, витаминов, белков.

Химическая термодинамика

Термодинамика – раздел физической химии, в то ж время является самостоятельной наукой, которая

1) изучает законы взаимного превращения различных видов энергии при физических и химических процессах

2) определяет зависимость энергетического эффекта этих процессов от условий их протекания

3) позволяет установить принципиальную возможность самопроизвольного течения химической реакции в данных условиях.

В химической термодинамике рассматриваются основные термодинамические законы. Термодинамические законы позволяют предсказать не только принципиальную возможность протекания реакций при данных условиях, но и выход продукта и тепловой эффект реакции. Реакции, протекающие с выделением тепла, могут служить источниками тепловой энергии. Изучение энергетических эффектов дает информацию о строении соединения, межмолекулярных связях и реакционной способности.

Термодинамика использует следующие понятия:

Система – тело (группа тел), выделенное из окружающей среды (фактически или мысленно).

Фаза – совокупность однородных частей системы с одинаковыми свойствами и имеющих поверхность раздела с другими частями системы. Например, система вода-лед имеет один и тот же химический состав, но отличается плотностью, строением, свойствами, следовательно, это двухфазная система.

Системы бывают гомогенные – содержат одну фазу (например, воздух, жидкие растворы – нет поверхности раздела), гетерогенные – содержат несколько фаз.

Химически однородная система – система, все участки объема которой обладают одинаковым составом. Физически однородная система – все участки объема обладают одинаковыми свойствами.

Изолированная система не может обмениваться с окружающей средой веществом или энергией (теплотой или работой), т.е. объем и энергия изолированной системы - постоянны.

Неизолированная система – может обмениваться с окружающей средой веществом ли энергией.

Закрытая система – не обменивается с окружающей средой веществом, но может – энергией, объем системы – непостоянен.

Открытая система – система, свободная от всех ограничений.

Любая система в любой момент может находиться в каком-то определенном состоянии.

Состояние – это совокупность физических и химических свойств, характеризующих данную систему. Свойства могут быть интенсивные - не зависящие от количества вещества (Р,Т), и экстенсивные – зависящие от количества вещества (масса, объем).

При рассмотрении термодинамических свойств системы называют термодинамическими, такие системы характеризуются термодинамическими параметрами: температура, давление, объем, концентрация и др.

Так состояние равновесия в системе устанавливается при некоторых определенных сочетаниях термодинамических параметров. Математическое уравнение, показывающее взаимосвязь этих параметров для данной равновесной системы, называют уравнением состояния:

PV = nRT – Уравнение Менделеева-Клапейрона

Изменение хотя бы одного из параметров означает изменение состояния всей системы.

Термодинамический процесс – это любое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного из параметров. Если изменение параметра не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы, такое изменение называют функцией состояния. Процесс не зависит от пути протекания, а определяется начальным и конечным состоянием системы.

Круговой процесс или цикл - процесс, при котором термодинамическая система из начального состояния, претерпев ряд изменений, возвращается в первоначальное состояние. В таком процессе изменение любого параметра равно нулю.

Процессы могут иметь обратимый или необратимый характер.

Обратимый процесс – процесс, допускающий возможность возвращения в исходное первоначальное состояние.

Необратимый процесс – не означает, что этот процесс невозможно провести в обратном направлении. Необратимость означает. Что такое возвращение невозможно при помощи той же работы и энергии, с которыми процесс шел в прямом направлении.

I закон термодинамики:

1. В любой изолированной системе сумма всех видов энергии постоянна.
2. Разные формы энергии переходят друг в друга в строго эквивалентных количествах
3. Вечный двигатель первого рода невозможен. Невозможно построить машину, которая давала бы механическую работу, не затрагивая на это соответствующего количества молекулярной энергии.

Первый закон термодинамики выражает неуничтожимость и эквивалентность различных форм энергии при различных переходах.

1 закон термодинамики представляет собой применение закона сохранения энергии к тепловым явлениям. Учитывая это можно его сформулировать в общем виде: Изменение внутренней энергии системы не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы.

Математически это означает, что внутренняя энергия является функцией состояния, т.е. однозначные функции ряда переменных определяют это состояние.

Имеется система: газ, заключенный в поршневой цилиндр.

Эта система получает от нагревателя из окружающей среды определенное количество тепла. Часть подведенного тепла к системе будет затрачена на совершение работы против внешнего давления (работа расширения газа). При этом происходит увеличение объема газа. Оставшееся тепло будет затрачено на увеличение внутренней энергии системы – повышение температуры. При этом нив окружающей среде, ни в самой системе количество энергии не изменится.

Следовательно, сумма проведенной системой работы и прироста ее внутренней энергии должны быть равны количеству тепла, поступившего от нагревателя из окружающей среды:

Q = ∆U + A (1)

Условились считать, тепло, поглощенное системой – «+», отданное – «-». Работа считается положительной, если она совершается самой системой, и отрицательной – если над системой (работа по сжатию газа).

Закон сохранения энергии выражает смысл первого начала термодинамики: Увеличение внутренней энергии системы равно сообщенному системе теплу минус работа, произведенная системой:

∆U = Q – A (2)

Формулы 1 и 2 – математические формулировки первого начала термодинамики.

Внутренняя энергия – это запас энергии системы, независимо от того, в каком состоянии она находится. Внутренняя энергия – общий запас энергии системы, которая складывается из энергии движения молекул, ядер и электронов в молекулах и атомах, энергии межмолекулярного взаимодействия. Из общего запаса энергии следует вычесть кинетическую энергию системы и потенциальную энергию ее положения. Для изолированной системы сумма всех видов энергии постоянная U = const. Обычно говорят об изменении внутренней энергии:

ΔU = U₂ – U₁

Изменение внутренней энергии системы может происходить:

1) в результате хаотического столкновения молекул двух соприкасающихся тел -мерой изменения энергии при этом является теплота

2) в результате совершения работы или самой системой или над системой: перемещение различных масс – поднятие тел в поле тяготения, переход электричеств от большего к меньшему потенциалу, расширение газа. Работа в этом случае также является мерой изменения энергии.

Следовательно, теплота –Q- и работа - A – количественно и качественно характеризуют формы передачи энергии (это меры энергии). U, A, Q – измеряются в одних и тех же единицах – кДж или кДж/моль.

Кроме внутренней существуют другие виды энергии: электромагнитная, электрическая, химическая, тепловая и т.д.

Другой вид энергии, который является также термодинамической функцией состояния–энтальпия –Н. Энтальпия - этомераэнергии,накапливаемая веществом при его образовании, это энергия расширенной системы, это теплосодержание системы. Математическое выражение для энтальпии:

Н = U + А

Т.е. энтальпия определяется внутренней энергией. Энтальпия и внутренняя энергия сильно отличаются друг от друга для газовых систем, но мало отличаются для конденсированных систем: жидких и твердых.

Поскольку энтальпия также является функцией состояния, т.е. всецело определяется начальным и конечным состоянием системы, то правильно говорить об изменении энтальпии системы:

ΔН = Н₂ – Н₁

ΔН = ΔU + А А = PΔV, где

P – давление; А – работа; ΔV – изменение объема.

PΔV – работа расширения

Энтальпия равна теплоте системы с обратным знаком:

ΔН = - Q

Дата добавления: 2015-05-09