1. Основні поняття, мета та завдання хімічної термодинаміки

Хімічна термодинаміка – це наука, що вивчає перехід енергії з однієї форми в іншу, енергетичні ефекти, що супроводжують фізичні та хімічні процеси, а також можливість і напрямок перебігу того чи іншого процесу.

Одним з основних понять термодинаміки є поняття термодинамічної системи. Система – це тіло або група тіл, які уявною або дійсною границею відокремлені від навколишнього середовища. Розрізняють наступні системи:

- ізольована – система не обмінюється з навколишнім середовищем ні речовиною ні енергією;

- закрита – система обмінюється з навколишнім середовищем тільки енергією, але не речовиною;

- відкрита – система обмінюється з навколишнім середовищем, і речовиною і енергією (живі організми і рослини відносяться до відкритих систем).

- гомогенна-немає поверхні розподілу фаз.

-гетерогенна-є поверхня розподілу фаз.

Теплота-визначається кін.енергією хаотичного теплового руху частинок.

Робота-визначається кін.енергією направленого впорядкованого руху частинок.

Ідеальний газ-газ,що знаходиться в розрідженому стані,коли міжмолекулярною взаємодією можна знехтувати. для ідеального газу це є рівняння Клайперона-Менделєєва: pV = nRT

2. Перший закон термодинаміки

В основі вивчення термодинамічних процесів лежать закони термодинаміки. Відповідно до першого закону термодинаміки теплота Q, що поглинається системою при переході її із початкового стану в кінцевий розходжується на збільшення її внутрішньої енергії U і на здійснення роботи проти зовнішніх сил, зокрема, проти зовнішнього тиску, отже:

A = p×(V2–V1) = pDV,

Q = (U2–U1) + p(V2–V1) = DU + pDV,

де U1 і U2 внутрішня енергія системи в початковому і кінцевому станах; V2 і V1 – об’єми системи в початковому і кінцевому станах; р – тиск при якому здійснюється процес (р=const, ізобарний процес). Це рівняння є математичною формою виразу першого закону термодинаміки, який формулюється наступним чином: теплота, що поглинається системою, розходжується на зміну внутрішньої енергії і на здійснення системою роботи.

3. Робота розширення ідеального газу. Вираз першого закону термодинаміки для різних процесів

1.Робота ідеального газу

Стискаючи газ ми виконуємо роботу, а під час розширення газу він сам буде виконувати роботу.

Якщо газ нагріти від Т1 до Т2, то тиск газу збільшиться і поршень переміститься з положення 1 в положення 2 на відстань  в результаті виконаної газом роботи проти зовнішніх сил.

Сила, яка виконує цю роботу, дорівнює добутку тиску на площу.

Оскільки  – це зміна об’єму, то маємо  або  .

Газ виконує роботу тільки тоді коли є зміна об’єму.

Універсальна газова стала чисельно дорівнює роботі, яку виконує моль ідеального газу при його ізобаричному нагріванні на 1 Кельвін.

Стала Больцмана показує скільки роботи припадає в середньому на одну молекулу ідеального газу при ізобаричному нагріванні на один Кельвін

(2)Перший закон термодинаміки для різних процесів

Ізохорний процес. V = const, A = p = p(V2-V1) = p0 = 0.

Тоді Перший закон термодинаміки : «Передана системі кількість теплоти витрачається лише на зміну її внутрішньої енергії».

При збільшенні температури Т, Q>0та  U>0, тому U.

При зменшенні температури Т, Q< 0та  U<0, тому U.

Ізотермічний процес. Т= const, U = const,  U = 0

То ді Перший закон термодинаміки читається: «Передана системі кількість теплоти витрачається на виконання самою системою роботи над оточуючими тілами». 

Якщо Q>0, то А’>0 – система розширюється, якщо Q<0, то А’ <0 – система стискається.

Робота при ізотермічному процесі графічно відображається площею криволінійної трапеції. АS_тр.

Ізобарний процес. Р= const.

Тоді Перший закон термодинаміки читається: «Передана системі кількість теплоти витрачається на виконання самою системою роботи над оточуючими тілами та на зміну її внутрішньої енергії (тобто зміну кінетичної енергії руху молекул)».

а бо для розширення , чи для стискання

Робота при ізобарному процесі графічно відображається площею прямокутника. АS_пр.

Адіабатний процес. – це процес, що відбувається у відсутність теплообміну Q= 0. При адіабатному процесі робота виконується за рахунок внутрішньої енергії.

З а графіком можна обґрунтувати застосування першого закону термодинаміки до ізопроцессам. Оскільки зміни кількості теплоти в адіабатичному процесі не відбувається, зміна внутрішньої енергії дорівнює кількості виробленої роботи. dU=- dW

"Звідси випливає, що внутрішня енергія системи зменшується, і температура її падає.

Перший закон термодинаміки при теплообміні. При теплообміні ніякої роботи усередині системи не виконується, тоді згідно першому закону термодинаміки:U_i=Q_i. Тобто сумарна внутрішня енергія не змінюється

. Звідси випливає рівняння теплового балансу:  , де Q_i- кількість теплоти, що отримано чи передано тілами усередині системи.