Лекция 4. Элементы химической термодинамики

Основные понятия и величины. Химическая термодинамика – наука, изучающая переходы энергии из одной формы в другую при химических реакциях и устанавливающая направление и пределы их самопроизвольного протекания при заданных условиях.

Объектом изучения в термодинамике является система – совокупность находящихся во взаимодействии веществ, мысленно (или фактически) обособленная от окружающей среды. Система может обмениваться с внешней средой веществом и энергией (в форме теплоты q и работы А) – открытая система. Если этого обмена нет, то систему называют изолированной. Если система обменивается только энергией, а веществом нет, то такая система называется закрытой.

По количеству фаз различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенные системы состоят из одной фазы; гетерогенные – из двух или нескольких фаз. Фаза – это часть системы, однородная во всех точках по составу и свойствам и отделенная от других частей системы поверхностью раздела.

Состояние системы определяет температура, давление, плотность, концентрация и т.п. (параметры системы). Изменение величины хотя бы только одного термодинамического параметра приводит к изменению состояния системы в целом.

Химическая термодинамика изучает систему в двух равновесных состояниях (конечном и начальном) и на этом основании определяет возможность (или невозможность) самопроизвольного течения процесса при заданных условиях в указанном направлении, характеризует энергетические изменения, происходящие в результате перехода, устанавливает значения температуры, давления, концентраций веществ в системе, при которых достигается максимальный выход процесса.

В зависимости от условий перехода системы из одного состояния в другое в термодинамике различают изотермические (Т = const), изобарические (р = const), изохорические (V – const) и адиабатические (в условиях отсутствия обмена теплотой между системой и окружающей средой q = 0) процессы.

Химическая термодинамика базируется на трех законах, или началах, термодинамики. Теплота и работа есть следствие обмена движением микрочастиц системы и внешней среды.

Первый закон (или начало) термодинамики – это закон сохранения энергии:

ΔQ = ΔU + ΔA,

где ΔQ – количество подведенной к системе теплоты; ΔU – изменение внутренней энергии системы вследствие подвода теплоты; ΔA – работа, совершенная системой в результате подведенной теплоты. Данная работа как правило есть сумма двух работ: работы против внешнего давления pΔV (р – давление; ΔV – изменение объема) и других форм работы ΔА*.

Первый закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом: термодинамическая система может совершать работу только за счет своей внутренней энергии или какого-либо внешнего источника энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из некоторого источника. Данное начало применимо как для систем, состоящих из отдельных частиц-молекул, так и для систем, состоящих из их огромного числа.

Внутренняя энергия системы есть сумма энергий движения частиц, составляющих систему, энергии химической связи и энергии атомов. Внутренняя энергия системы есть функция состояния термодинамической системы, т.е. ее изменение не зависит от пути перехода из одного состояния в другое, а зависит только от начального и конечного состояния.

Раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называется термохимией. Уравнения химических реакций, в которых указаны их тепловые эффекты, называются термохимическими уравнениями.

Тепловые эффекты химических реакций – теплота, выделенная или поглощенная термодинамической системой при протекании в ней химической реакции. Определяется при условии, что система не совершает никакой работы (кроме возможной работы расширения), а температуры реагентов и продуктов равны.