1. Химическая термодинамика Основные понятия химической термодинамики

Термодинамика является наукой, изучающей взаимопревращения различных видов энергии, которыми сопровождаются физические или химические процессы, а также возможность протекания процесса, его направленность и предел протекания. Химическая термодинамика применяет положения и закономерности общей термодинамики к изучению химических явлений. Основными понятиями в термодинамике являются: термодинамическая система, термодинамические параметры системы, термодинамический процесс, функция состояния и др.

Термодинамическая система – тело или группа тел, находящихся во взаимодействии, и отделенная от окружающей среды реальной или воображаемой границей раздела.

Термодинамические системы бывают:

• открытые – обмениваются с окружающей средой теплом и веществом (работой);

• закрытые – обмениваются с окружающей средой теплом, но не обмениваются веществом;

• изолированные – не обмениваются с окружающей средой ни теплом, ни веществом.

Термодинамическое состояние системы характеризуется ее термодинамическими параметрами. Термодинамические параметры делятся на экстенсивные и интенсивные.

Экстенсивные термодинамические параметры – величины, пропорциональные массе (или количеству вещества) рассматриваемого тела или термодинамической системы, к ним относятся: объем, внутренняя энергия, энтальпия, теплоемкость и др.

Интенсивные термодинамические параметры – величины, не зависящие от массы рассматриваемого тела или термодинамической системы и служащие термодинамическими параметрами состояния системы: температура и давление.

Параметр, величина которого зависит только от состояния системы и не зависит от пути, по которому система пришла в данное состояние, называется функцией состояния системы.

Функция состояния системы – функция, изменение которой не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы (является однозначной характеристикой данной системы).

Всякое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного их термодинамических параметров, называется термодинамическим процессом. В зависимости от условий протекания различают: изотермические (T=const), изохорные (V=const), изобарные (р=const), изобарно-изотермические (р,T=const), изохорно-изотермические (V,Т=const) и другие процессы.

Как известно, материя находится в постоянном движении, которое совершается в различных формах. Общей мерой различных форм движения материи является энергия. Энергия бывает разных видов: механическая, электрическая, внутренняя, кинетическая и др. Все виды энергии связаны между собой и способны превращаться одна в другую. В химической термодинамике большое значение имеет внутренняя энергия.

Внутренняя энергия (U) – сумма потенциальной энергии взаимодействия всех частиц тела между собой и кинетической энергии их движения (поступательной, колебательной, вращательной, энергии электронных переходов) за вычетом кинетической и потенциальной энергии, обусловленных движением и положением системы в целом.

Абсолютное значение внутренней энергии измерить нельзя. Можно измерить только изменение внутренней энергии ΔU при переходе системы из одного состояния в другое.

Изменение внутренней энергии считается положительным (ΔU>0), если при переходе системы из начального состояния в конечное ее внутренняя энергия увеличивается.

Изменение внутренней энергии может происходить в двух формах: в форме теплоты и в форме работы.

Теплота (Q) – форма и мера передачи энергии за счет хаотического столкновения молекул. Теплота считается положительной (Q>0), если тепло подводится к системе, и отрицательной (Q<0), если отводится от системы.

Работа (W) – форма и мера передачи энергии за счет упорядоченного движения большого числа частиц системы под действием каких-либо сил. Работа считается положительной (W>0), если ее совершает сама система, и отрицательной (W<0), если работа совершается над системой.

Во многих процессах изменение внутренней энергии происходит как в виде теплоты, так и в виде работы. Связь между изменением внутренней энергии, теплотой и работой устанавливает первое начало термодинамики.