Химическая термодинамика.

Термодинамика ( от греческого thermo - тепло, dinamo - сила, движение) — раздел физики, изучающий тепловое движение и связанные с ним процессы и явления, а также наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями.

Термодинамика возникла в 1-й половине XIX века в связи с развитием теории тепловых машин (С. Карно) и установлением закона сохранения энергии (Ю. Р. Майер, Дж. Джоуль, Г. Гельмгольц). Основные этапы развития термодинамики связаны с именами Р. Клаузиуса и У. Томсона (формулировки второго начала термодинамики), Дж. Гиббса (метод термодинамических потенциалов), В. Нернста (третье начало термодинамики) и др.

Разработанная вначале для объяснения физических процессов, термодинамика вскоре нашла применение и в химии. Исторический процесс формирования термодинамических законов и принципов, универсальность и общенаучная значимость термодинамики позволяют считать ее не чисто физической, а пограничной наукой. В 1887 г Вильгельм Оствальд писал о предмете и целях такой науки:

"…Пограничные области захватывают не только, как можно было бы подумать на основании их названия, вопросы и задачи стоящие в стороне от центрального ядра науки, но, напротив, они то и представляют по большей части поле для решения общих и важнейших проблем…; надежда на решение подобных проблем при исследованиях в таких пограничных областях тем больше, чем многочисленнее и разнообразнее вспомогательные средства, заимствуемые из обеих наук".

Взаимодействие двух фундаментальных наук — физики и химии — определило развитие новой для традиционной химии черты — ее связи с термодинамикой и математикой, что явилось одним из условий дальнейшего прогресса химической науки.

Химическая термодинамика — раздел теоретической химии, изучающий химические реакции и физико-химические превращения на основе представления о термодинамическом равновесии в макроскопических системах. Химическая термодинамика включает термохимию, учение о химическом равновесии, растворах, фазовых переходах и процессах на границе раздела фаз. Термодинамические соотношения широко применяют для определения максимально возможных (при данных температуре, давлении и т. п.) выходов продуктов химических реакций и др. параметров технологических процессов в химической, металлургической и др. отраслях промышленности.

Первый закон термодинамики. Энтальпия.

Термодинамика основана на нескольких фундаментальных законах, обобщающих накопленный человечеством опыт наблюдений над превращениями энергии.

Первый закон термодинамики известен как закон сохранения энергии; его формулировки могут быть разнообразны в зависимости от области его применения:

1. Энергия Вселенной — constanta.

2. Энергия не создается и не уничтожается, а лишь передается из одной части Вселенной в другую, или превращается из одной формы в другую.

3. Вечный двигатель первого рода невозможен.

Всеобщность этого закона подтверждается в результате тесного взаимодействия химии, физики, биологии: для любой формы материального движения, от самой элементарной — физической, до самой сложной — биологической, — всегда имеет место эквивалентное превращение энергии из одной формы в другую.

Законы сохранения (не только энергии, но и момента, углового момента, электрического заряда и так далее) это фактически основные правила игры для всех от мала до велика частей и частиц Вселенной; и все эти законы вечные и всеобщие. Это утверждение вытекает из следующих рассуждений: никогда, ни при каких условиях ученые не наблюдали нарушения этих законов, точно также, как не обнаружили ничего, указывающего на то, что они могли бы быть когда-либо нарушены.

Более того, если какой-либо закон сохранения окажется в конце концов недействительным, это будет означать, что он является частью более общего закона, подобно тому, как закон сохранения массы оказался в стороне, потому что как часть вошел в более общий закон сохранения энергии, которая теперь включает в себя и массу (Е = m C² — уравнение Эйнштейна).

Большинство химических реакций осуществляются при практически постоянном атмосферном давлении. При исследований подобных превращений удобно пользоваться термодинамическим понятием теплосодержания, или энтальпии Н. Изменение энтальпии системы в ходе какого-либо процесса равно теплоте, выделяемой или поглощаемой системой в ходе этого процесса:

ΔН _{реакции} = Н_{продуктов} - Н_{реагентов}

Если энтальпия продуктов меньше, чем энтальпия исходных веществ, то ΔН < 0, реакция идет с выделением теплоты и называется экзотермической; а если ΔН > 0, то теплота поглощается системой из окружающей среды, а процесс носит название эндотермический.