Тема 1.1. Основи хімічної термодинаміки план

1. Зміст та основні поняття термодинаміки.

2. Перше начало термодинаміки. Ентальпія.

3. Закон Гесса. Наслідки закону Гесса.

4. Друге начало термодинаміки.

5. Термодинамічні потенціали і фактори.

6. Розрахунок термодинамічних потенціалів в хімічних реакціях.

1. Зміст та основні поняття термодинаміки

Залежно від поставлених завдань розрізняють термодинаміку загальну, технічну та хімічну. Термодинаміка вивчає хімічні та фізичні процеси на основі енергетичних явищ, які супроводжують ці процеси, і не торкаються механізмів реакцій, тобто вона вивчає лише сумарні результати реакції залежно від заданих умов.

Усі процеси, що відбуваються в природі, супроводжуються перетворенням енергії. Та область термодинаміки, що займається вивченням енергетичних – змін в хімічних реакціях, називається хімічною термодинамікою.

Хімічна термодинаміка, як і загальна, ґрунтується на трьох законах (началах). Означені закони виведені на основі багатовікового досвіду і теоретично не обґрунтовуються. Правильність цих законів підтверджується тим, що у практичній діяльності людина не спостерігає явищ, які б суперечили цим законам. Знаючи закони хімічної термодинаміки, можна передбачити, чи можлива певна реакція за цих умов або за яких умов вона стане можливою, який вихід продуктів реакцій очікувати, яким тепловим ефектом вона супроводжуватиметься. При викладенні основних положень термодинаміки користуються певними поняттями.

Система – це тіло або сукупність тіл, що знаходяться у взаємодії і фактично або умовно виділені з навколишнього середовища.

Головною умовою має бути те, що система складається з великої кількості частинок (атомів, молекул). Звичайно система відокремлена від навколишнього середовища поверхнею поділу. Системою може бути окреме тіло, розчин, газ в балоні, речовина в склянці.

У залежності від того, чи буде система обмінюватись енергією та речовиною, системи поділяються на відкриті, закриті, ізольовані.

Ізольованою є система, яка не обмінюється речовиною або енергією з навколишнім середовищем і має сталий об’єм (V = const). Наприклад, запаяна ампула, що знаходиться в термосі.

Закритою є система, яка не може обмінюватися масою, але обмінюється енергією з навколишнім середовищем (газ у балоні). Наприклад, речовина, що запаяна в ампулі, може отримувати або віддавати енергію, але обмін речовиною з навколишнім середовищем не відбувається.

Відкритою називають систему, з якої безперервно відводяться продукти реакції та проводяться вихідні речовини.

Наприклад, колба з киплячою водою обмінюється з навколишнім середовищем речовиною (Н₂О) та енергією у вигляді теплоти (Q)

Фазою називають сукупність усіх однорідних частинок, що мають однакові властивості і відокремлені від інших частин системи поверхнею поділу.

Система може складатися із речовини в однаковій фазі, або із речовин, що відокремлені одна від одної поверхнею розділу фаз. В залежності від цього системи бувають однорідні (гомогенні) та неоднорідні (гетерогенні).

Гомогенна система складається лише з однієї фази, наприклад, повітря, розчин цукру або солі у воді. Тут між складовими частинами системи не існує поверхні розподілу.

Гетерогенною називають систему, що складається з двох або більшої кількості фаз. Таку систему ще називають неоднорідною різнофазною. Наприклад, розчин з осадом на дні, лід і вода тощо.

Фізичні величини, які виражають стан системи, називають параметрами стану. Основними параметрами є об’єм, тиск, температура, концентрація. Сукупність термодинамічних параметрів визначає стан системи. Якщо термодинамічні параметри з часом не змінюються, то система перебуває у рівноважному стані, а параметри називають рівноважними.

Параметри, які залежать від основних, змінюються лише залежно від початкового та кінцевого станів і не залежать від напряму процесу, називають функціями стану. Функціями стану є тиск (Р), об’єм (V), температура (Т), внутрішня енергія (U ) тощо.

Зміну стану системи з часом називають процесом. Під час будь-якого процесу одні параметри залишаються незмінними, інші змінюються. Залежно від того, які параметри під час переходу системи з одного стану в інший залишаються сталими, процеси поділяють на ізохорні ( V = const), ізобарні (P= const) та ізотермічні (T= const).

Адіабатний процес відбувається без теплового обміну з навколишнім середовищем.

Якщо в системі відбулися зміни, які привели її у вихідний стан, то кажуть, що система здійснила круговий процес, або цикл.

Оборотними є процеси, які можна здійснити в прямому та зворотному напрямах через ті самі стадії. Процеси, для яких такі переходи неможливі, називають необоротними.