Завдання й розділи фізичної хімії. Основні термодинамічні поняття й визначення. Перший закон термодинаміки. Робота розширення при різних процесах. Ентальпія. Закон Гесса. Стандартні теплоти утворення й теплоти згоряння речовин. Теплоємність. Рівняння Кіргофа.
Завдання й розділи фізичної хімії
Фізична хімія – розділ хімії, у якому вивчається взаємозв'язок хімічних процесів і фізичних явищ, які їх супроводжують, установлюється зв'язок між хімічним складом, будовою речовин і їхніх властивостей, досліджуються механізм і швидкість хімічних реакцій залежно від умов їхнього протікання.
Зміст курсу фізичної хімії звичайно ділять на кілька основних розділів, що характеризують напрямок цієї науки й визначають її предмет. Розглянемо основні її розділи:
— хімічна термодинаміка – вивчає зв'язок між теплотою й роботою, і властивостями речовин або систем. Вивчає макроскопічні властивості тіл і їхньої зміни при обміні тіл або систем енергією або речовиною. Вивчає властивості систем незалежно від простору й часу, її не цікавить швидкість, і шлях протікання хімічних реакцій. У свою чергу хімічна термодинаміка включає термохімію, у якій вивчаються теплові ефекти хімічних реакцій.
— вчення про розчини – розглядає природу розчинів, їхню внутрішню структуру й найважливіші властивості.
— електрохімія – вивчає особливості властивостей розчинів електролітів, електропровідність розчинів, процеси електролізу, роботу гальванічних елементів і електрохімічну корозію металів.
— хімічна кінетика – вивчає швидкість і молекулярний механізм хімічних реакцій як у гомогенної, так і в гетерогенному середовищі, включаючи і явища каталізу.
Основні термодинамічні поняття й визначення
Система – тіло або група тіл, реально або подумки виділених з навколишнього середовища.
Термодинамічна система – група взаємодіючих тіл системи, між якими відбувається обмін теплотою або речовиною, або вона описується термодинамічними параметрами.
Навколишнє середовище – усе, що перебуває в контакті із системою.
У хімічній термодинаміці виділяють кілька типів систем по їхній здатності взаємодіяти із зовнішнім середовищем:
— відкрита – система, що обмінюється з навколишнім середовищем речовиною й енергією;
— закрита – система, що обмінюється з навколишнім середовищем тільки енергією й роботою, але не речовиною;
— ізольована – система не обмінюється з навколишнім середовищем ні речовиною, ні енергією.
Стан системи – сукупність всіх фізичних і хімічних властивостей системи.
Термодинамічні параметри стану системи –фізичні характеристики термодинамічної системи. Розрізняють:
Екстенсивні властивості, що залежать від маси системи (V, m, U, H і т.д.) і характеризуються адитивністю, тобто властивість системи дорівнює сумі відповідних властивостей її складових частин:
властивість системи = ∑ властивостей частин.
Інтенсивні властивості, що не залежать від маси системи (T, p, , і т.д.). Ці властивості не підсумуються, а вирівнюються.
Основні параметри стану – параметри, що піддаються прямому виміру. Ті параметри, які не можна виміряти безпосередньо, розглядають як функції основних параметрів стану.
Функція стану – зміна її визначається тільки вихідним і кінцевим станом системи й не залежить від шляхів переходу.
Зміна стану системи, що характеризується зміною її термодинамічних параметрів, називається термодинамічним процесом.
Зміна стану системи може відбуватися при різних умовах, тому розрізняють:
1) Рівноважні й нерівноважні процеси. Рівноважні процеси розглядаються як безперервний ряд рівноважних станів системи. Рівноважний стан системи – стан, що не змінюється в часі й не потребуюче для своєї підтримки яких-небудь зовнішніх факторів. Нерівновжані - це процеси, після протікання яких систему не можна повернути у вихідний стан без того,щоб у ній не залишилося яких-небудь змін.
2) Оборотні й необоротні процеси. Оборотні - процеси, що допускають можливість повернення системи в первісний стан без того, щоб у навколишнім середовищі залишилися які-небудь зміни. У противному випадку процеси будуть необоротними.
3) Самодовільні й не самодовільні процеси. Самодовільні - процеси, що відбуваються самі собою (не потребуючі витрати енергії ззовні) і наближающих систему до рівноваги. Не самодовільні - процеси, що вимагають витрати енергії ззовні.
Відзначимо деякі приватні види процесів, з якими надалі прийде мати справа:
а) ізотермічний (T = const);
б) ізобарний (p = const);
в) ізохорний (V = const);
г) адіабатичний (немає обміну теплотою між системою й навколишнім середовищем);
д) ізобарно – ізотермічний (p = const, T = const);
е) ізохорно – ізотермічний (V = const, T = const).
Розглянемо ще деякі поняття.
Енергія – міра здатності системи робити роботу.
Внутрішня енергія – весь запас внутрішньої кінетичної й потенційної енергії речовини без кінетичної й потенційної енергії всієї системи. Внутрішня енергія позначається символом U. Абсолютне значення внутрішньої енергії визначити неможливо навіть для найпростіших систем. Однак для цілей термодинаміки цього й не потрібно. Важливо кількісно визначити зміна внутрішньої енергії при переході з одного стану в інше:
. (1)
Величина внутрішньої енергії системи вважається позитивної, якщо в розглянутому процесі вона збільшується. У рівноважному стані система має певний запас енергії, тому внутрішня енергія є функцією стану.
Робота й теплота – дві можливі форми передачі енергії від однієї системи до іншої. Робота – це енергія, передана одним тілом іншому, що не залежить від температури тіл і не пов'язана з переносом маси.
Робота позначається символом A, при цьому робота позитивна (А > 0), якщо вона відбувається системою проти зовнішніх сил, і негативна (А < 0), якщо вона виконується над системою. У хімічній термодинаміці найчастіше розглядають роботу розширення. Якщо розглядати роботу розширення А, чинену системою, то рівноважному процесу завжди відповідає максимальна робота.
Теплота – енергія, передана одним тілом іншому, що залежить від температури тіл і не пов'язана з переносом маси. Теплота позначається символом Q, при цьому вона позитивна (Q > 0), якщо теплота надходить у систему (такий процес називається ендотермічним), і негативна (Q < 0), якщо теплота приділяється із системи (такий процес називається екзотермічним).
У рівноважному стані система не володіє ні запасом теплоти, ні запасом роботи, тому вони є функціями процесу. Передача теплоти або здійснення роботи здійснюються лише при взаємодії системи із зовнішнім середовищем або іншою системою.