5 Енергетика хімічних реакцій основні поняття термодинаміки

Наука, що вивчає загальні закономірності стійких станів систем, які складаються з величезного числа частинок, називається тер­модинамікою. Хімічна термодинаміка вивчає взаємоперетворен­ня різних форм енергії та її обмін між системою й зовнішнім середовищем, а також енергетичні ефекти, що супроводжують хімічні та фазові процеси, можливість і напрямок їх самочинного перебігу. Вона розглядає лише початковий і кінцевий стани, не враховуючи шлях перебігу процесу та його розвиток у часі:

Вихідні речовини (реагенти) —> Проміжні —> Одержані (продук­ти)

Термодинаміка неначе ділить світ на дві частини — систему та зовнішнє середовище. Межа між ними може бути як реальною, так і уявною.

Термодинамічна система — це будь-яка сукупність величезної кількості частинок. Закони, яким підлягають термодинамічні сис­теми, специфічні, вони якісно відрізняються від законів, що опису­ють поведінку ізольованої частинки.

Стан системи визначається сукупністю її властивостей і харак­теризується термодинамічними параметрами — температурою, тиском, об'ємом, масою тощо. Зміна хоча б одного з них спричинює зміну стану системи. Оскільки для більшості реальних систем конкретний вид рівняння стану невідомий, для термодинамічного опису їх використовують функції стану — параметри, значення яких залежать тільки від стану системи в даний момент часу.

Функція стану — це така властивість системи, зміну якої можна обчислити, беручи до уваги лише початковий і кінцевий стани системи, не враховуючи механізм процесу. До функцій стану належать повна енергія Е, що складається з кінетичної Е_к, потен­ціальної Е_р та внутрішньої енергії системи U; ентальпія (теп­ломісткість, теплоздатність) H, ентропія S, енергія Гіббса (робото здатність) G тощо. Зміна функцій дає уявлення про енергетику процесів.

Розділ хімічної термодинаміки, що вивчає енергетичні ефекти реакцій, називають термохімією. У термохімії розрізняють два типи хімічних реакцій: екзотермічні (тепломісткість системи змен­шується) та ендотермічні (тепломісткість збільшується).

Речовини містять енергію у прихованому вигляді, запас якої залежить від кількості, складу та стану речовини. Вона вивіль­няється під час хімічних і деяких фізичних процесів і називається внутрішньою енергією. Внутрішня енергія — це усі види енергії руху та взаємодії частинок системи, крім кінетичної та потенціаль­ної енергії системи в цілому. Для термодинамічного аналізу важ­ливе не саме значення енергії (абсолютну величину якої встанови­ти неможливо), а її зміна при зміні стану та умов існування системи ΔU.

Кількісною мірою зміни внутрішньої енергії хімічного процесу є тепловий ефект реакції Q — кількість енергії, що виділяється або поглинається системою у процесі необоротної хімічної реакції (за умов сталості об'єму або тиску та рівності температур початкових і кінцевих речовин). Хімічні реакції звичайно відбуваються при сталому тиску (у відкритій колбі) або при сталому об'ємі (в автоклаві), тобто є відповідно ізобарними або ізохорними процеса­ми.

Під час ізобарного процесу (р = соnst), крім зміни внутрішньої енергії, в системі виконується певна робота А за рахунок зміни об'єму: А = р(V₂ — V₁) = рΔU. Отже, тепловий ефект реакції Q_p=ΔU+ рΔU, звідки Q_p=(U₂-U₁)+p(V₂-V₁)=(U₂+pV₂)-(U₁+pV₁). Прийнявши, що U + рV = H, матимемо Q_p=H₂-H₁=ΔH, де ΔH — зміна ентальпії системи.

Під час ізохорного процесу (V = соnst) вся теплота, що виді­ляється або поглинається, зумовлює зміну внутрішньої енергії (знижується або підвищується температура): Q_v=U₂-U₁=ΔU.