КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Тепловой эффект химических реакций
К химической реакции, как и вообще ко всем процессам, сопровождающимся превращением энергии, применим первый закон термодинамики, уравнение которого с учетом сказанного выше принимает вид
. (14.2) Здесь U1 - U2 – убыль внутренней энергии системы (с учетом химической составляющей ее); Q – выделившаяся в процессе теплота; L0 – работа изменения объема системы; Lп – полезная работа реакции. Таким образом, выделение в реакции тепла и совершение реагирующей системой работы происходит за счет убыли внутренней энергии системы. Из уравнения видно, что тепло экзотермических реакций является величиной положительной, а эндотермических реакций — отрицательной. Величины, входящие в данное уравнение, обычно относятся ко всей реагирующей системе в целом, а потому здесь они обозначены большими буквами. Если реакция происходит при постоянной температуре таким образом, что никакой работы, кроме работы изменения объема, не совершается (т. е. Lп = 0), то тепло, выделяющееся при реакции, будет иметь максимальную величину. Тогда . (14.3) Величина Qмакс называется тепловым эффектом химической реакции. Таким образом, под тепловым эффектом химической реакции понимается количество тепла, выделяющегося или поглощаемого в условиях, когда обеспечено, во-первых, постоянство температуры реагирующей системы и, во- вторых, отсутствие полезной работы. Тепловые эффекты экзотермических реакций положительны, а эндотермических – отрицательны. Как уже говорилось, изотермичность реакции обеспечивается отводом всего выделяющегося тепла в момент выделения, что в реальных условиях, конечно, не соблюдается. Однако если при изучении реального процесса обеспечено равенство начальной и конечной температур системы, то такая идеализация никак не сказывается на искомом результате реакции – ее тепловом эффекте.
Например, при сжигании топлива в калориметрической бомбе в ней развивается весьма высокая температура. По окончании процесса продукты сгорания охлаждаются водой до исходной температуры топлива и количество отданного ими тепла подсчитывается по повышению температуры охлаждающей воды. Очевидно, что оно будет в точности равно тому теплу, которое выделилось бы в процессе, если бы оно отводилось полностью по мере его выделения, а не по окончании химического процесса, т. е. если бы реакция протекала пря постоянной температуре.
Тепловой эффект изохорной реакции, обозначаемый через , можно определить из формулы (14.3), откуда, учитывая, что работа изменения объема в такой реакции равна нулю, получаем , (14.4) т.е. тепловой эффект изохорной реакции равен убыли внутренней энергии реагирующей системы. Тепловой эффект изобарной реакции, обозначаемый через Qр, также можно определить из уравнения (14.3), которое в данном случае примет вид , где p (V2 - V1) – работа изменения объема системы. Решая полученное уравнение относительно Qр, получаем , (14.5) т.е. тепловой эффект изобарной реакции равен убыли энтальпии реагирующей системы. Изложенное показывает, что тепловые эффекты одних и тех же реакций при V = const и при р = const, вообще говоря, не равны между собой.
Изменение объема в изобарных реакциях вызывается исчезновением или образованием некоторого числа киломолей газообразных компонентов реакции. Например, при горении водорода, которое описывается уравнением 2Н2 + О2 = 2Н2О, в начале реакции имелось три киломоля, а в конце осталось лишь два.
Положим, что суммарное число киломолей газообразных веществ, вступающих в изобарно – изотермическую реакцию, равно n1, а число киломолей газообразных продуктов реакции равно n2. Тогда, считая исходные и конечные газообразные вещества идеальными газами, мы можем написать для начального и конечного состояний системы следующее уравнение
и , где – универсальная газовая постоянная. Из этих уравнений имеем . Отсюда вытекает зависимость между эффектами изохорной и изобарной реакций. Действительно, для идеального газа внутренняя тепловая энергия зависит лишь от температуры, химическая же внутренняя энергия вообще не зависит от параметров состояния и определяется лишь природой компонентов реакции. Следовательно, если осуществить одну и ту же реакцию при одной и той же температуре один раз при постоянном объеме, а другой раз при постоянном давлении, то в обоих случаях изменение внутренней энергии (представляющее собой сумму внутренней тепловой и внутренней химической энергии) будет одинаковым. Поскольку , , а , то
. (14.6) Таким образом, если реакция сопровождается увеличением числа киломолей, то тепловой эффект ее при постоянном давлении будет меньше; чем если эта же реакция будет протекать (в тех же температурных условиях) при постоянном объеме, т. е. Qр < Qv. Наоборот, если реакция идет с уменьшением числа киломолей, то Qp > Qv. Наконец, если число киломолей в результате реакции не изменяется, то, очевидно, Qp = Qv. Полученное соотношение остается верным и в том случае, если в реакции участвуют твердые или жидкие вещества. Так как плотность последних значительно больше плотности газообразных веществ, их объемов можно пренебречь и под Δn следует понимать лишь изменение числа киломолей газообразных компонентов реакции.
Дата добавления: 2014-01-06; Просмотров: 677; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |