Термодинамика Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯИНАУКИ РОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГООБРАЗОВАНИЯ «КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим.Х.М.БЕРБЕКОВА»

ТЕРМОДИНАМИКА

Методические указания для студентов, обучающихся по направлению подготовки 31.05.01Лечебноедело

НАЛЬЧИК

2018

УДК 611.34 (075.8)

ББК 24 я 73

Рецензент:

кандидат химических наук, доцент кафедры технологии продуктов общественного питания и химии Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета им. В.М. Кокова

С.А. Беккиева

Составитель: Балаева С.М.

Т15 Термодинамика[Текст] : учебное пособие / С. М. Балаева. – Нальчик:Каб.-Балк.ун-т,2018.–23с.–150экз.

Издание содержит методические указания для подготовки к лабораторным занятиям и самостоятельной работе по разделу «Термодинамика», типовые обучающие задачи, задания для самоподготовки и примеры тестовых заданий.

Предназначено для студентов 1-го курса, обучающихся по специальности «Лечебное дело».

Рекомендовано РИСом университета

УДК 611.34 (075.8) ББК 54.133 я 73

Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова, 2018

2

ВВЕДЕНИЕ

Научное исследование обмена веществ и обмена энергии стало возможным после установления в середине XIX века закона сохранения и превращения энергии, частной формой выражения которого является первый закон термодинамики или первое начало термодинамики, следствием которых являются законы Гесса.

Внастоящее время термодинамический метод исследования является одним из наиболее надежных и эффективных средств для изучения обмена веществ и энергии, происходящего в живых организмах.

Опыт работы со студентами 1 курса специальности «Лечебное дело» показал что термодинамика, решение задач по термодинамике представляют собой определенные затруднения в связи с тем, что студентам приходится много вопросов изучать самостоятельно.

Вбазовом учебнике В.А. Попкова «Общая химия» для специальности «Лечебное дело» мало внимания уделяется коэффициенту калорийности и решению задач по этой теме, являющейся основой для изучения обменных процессов и расчетов в диетологии.

3

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

Термодинамика – это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы. Рассмотрим ряд терминов и параметров, необходимых для изучения термодинамики.

Термодинамическая система – это любой объект природы,

состоящий из достаточно большого числа структурных единиц, в частности молекул, отделенных от других объектов природы реальной или воображаемой границей раздела. Часть объектов природы, не входящих в систему, называется средой. Важными характеристиками системы являются масса вещества (m) и энергия (Е).

В зависимости от характера взаимодействия с окружающей сре-

дой, термодинамическая система делится на следующие виды.

1. Изолированные системы – системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни массой, ни энергией (Δm = 0, E = 0). Например, термос.

2.Закрытые системы – обмениваются с окружающей средой только энергией. Для них m = 0, ΔE ≠ 0. Например, запаянная ампула

слекарством.

3.Открытые системы – обмениваются с окружающей средой и

массой, и энергией m, и Е. Для них m ≠ 0, E ≠ 0. Например, живой организм.

Фаза – это часть системы с одинаковыми физическими и химическими свойствами, отделенная от других частей границей раздела, при переходе через которую свойства резко меняются.

В зависимости от фазового состояния различают следующие виды систем.

1.Гомогенные системы – системы, в которых все компоненты находятся в одной фазе, и в них отсутствуют границы раздела. Например: раствор глюкозы.

2.Гетерогенные системы – системы, состоящие из нескольких

фаз, разделенных границей раздела. Например, эритроциты – плазма крови.

Состояние и свойства системы определяются термодинамическими параметрами, к которым относятся температура (t), давление (р), объем (V), концентрация (с). Для газообразных систем эти параметры связаны между собой уравнением Менделеева – Клапейрона.

4

pV = n(х)RТ, n(x) = m(x)/M(x) [моль ], R = 8,314 Дж/(моль К) → pV=m(x)RT/M(x)

Термодинамические параметры называются стандартными, если они определяются при стандартных условиях:

Т= 25 С = 298 К, р = 101,3 кПа = 1 атм.

Втермодинамике для определения изменения энергии системы пользуются различными энергетическими характеристиками, которые

называются термодинамическими функциями состояние системы. К термодинамическим функциям относятся: внутренняя энергия (Е); энтальпия (Н).

Пусть Х – термодинамическая функция. X1 – значение термодинамической функции в начальном состоянии. X2 – значение термодинамической функции в конечном состоянии. Тогда Х = Х2 – Х1 – изменение (приращение) термодинамической функции. Приращение, взятое с обратным знаком, – убыль. Х° – изменение термодинамической функции при стандартных параметрах.

1. Внутренняя энергия (Е)

Внутренняя энергия системы складывается из вращательного и колебательного движения всех микрочастиц системы, а также энергии их взаимодействия. Внутренняя энергия есть функция состояния системы, приращение которой (ΔЕ) равно теплоте, поступающей в систему при изохорном процессе (ΔV = const) E = Q, где Q – теплота изохорного процесса, Е – кДж/моль.

Изменение энергии системы обусловлено теплотой, поступившей в систему, и работой, совершаемой при взаимодействии системы с окружающей средой. Соотношение между этими величинами составляет содержание первого начала термодинамики: приращение внутренней энергии системы в некотором процессе равно теплоте, поступившей с систему, плюс работа, выполненная над системой.

E = Q – W.

В биологических системах теплота отдается в окружающую среду, а работа совершается за счет внутренней энергии. Поэтому для биологических систем математическое выражение первого начала термодинамики имеет вид:

– Е = –Q – W.

5

Закон термодинамики является количественным выражением всеобщего закона природы о вечности материи и движения. Первый закон термодинамики доказывает эквивалентность различных видов энергии. В уравнении Е – это и магнитная, и электрическая, и др. виды энергии. Энергия в системе не создается из ничего и не исчезает бесследно. Она обязательно связана с теплотой, поступившей в систему, и с работой, выполненной над системой. О том, что теплота и работа являются эквивалентными формам и энергии доказано трудами ряда ученых.

2. Энтальпия (Н)

Энтальпия – это часть внутренней энергии системы, которая может совершить полезную работу. Из математической записи первого закона термодинамики выразим теплоту (Q):

Q = ΔE – W.

Теплота расширения в изобарном процессе (р = const) выражается как:

Qр = Е + р V = (Е2 + рV2) – (E1 + pV1),

где Qр – теплота изобарного процесса при р = const; Е + рV = Н, т.е. энтальпия.

Qр = Н2 – Н1 = Н, таким образом Н = Qр.

Энтальпия – это функция состояния системы, приращение которой равно теплоте, поступившей в систему в изобарном процессе.

Так как Н = Qр, то Н = Е + р V [кДж/моль].

Данное уравнение связывает приращение энтальпии и внутренней энергии системы. Для эндотермического процесса Н > 0, а для экзотермического процесса Н < 0.

Основным источником энергии для организма человека является химическая энергия, заключенная в пищевых продуктах, часть которой (за вычетом энергии, выводимой из организма с продуктами жизнедеятельности) расходуется на:

1)совершение работы внутри организма, связанной с дыханием, кровообращением и т.д.;

2)нагревание вдыхаемого воздуха, потребляемой воды и пищи;

6

3) покрытие потерь теплоты в окружающую среду с выдыхаемым воздухом и с продуктами жизнедеятельности и т.д.

Химическая энергия также расходуется на совершение внешней работы, связанной с перемещениями человека, его трудовой деятельностью и т.д.

Белки, жиры и углеводы служат субстратами окислительного фосфорилирования – одного из важнейших компонентов клеточного дыхания, приводящего к получению энергии в виде АТФ.

Энергетический обмен в клетке в основном связан с расщеплением макроэргических связей АТФ. Энергия АТФ используется, например, для биосинтеза белка.

Молекулы пищевых продуктов служат материалом для построения всех клеток нашего организма. В то же время молекулы пищи «сгорают» внутри нас и снабжают организм энергией, необходимой для поддержания его постоянной температуры, физической и мысленнойдеятельности.

Энергию дает практически любая пища, но углеводы (сахар и крахмал) содержат ее больше других продуктов. Чтобы успешно строить клетки нашего организма, нужны более специфические вещества. Основной строительный материал в этом случае – белки и жиры. Также абсолютно необходимы витамины и минеральные соли, хотя и в очень небольших количествах.

Калория – это единица измерения количества энергии, в том числе и в продуктах питания. Например, порция жареной в масле картошки содержит 220 ккал. Откуда берется эта энергия? Ответ прост. Вся энергия пищи – это сохраненная энергия солнечного света.

При фотосинтезе растения поглощают солнечную энергию и синтезируют из простых молекул большие, богатые энергией молекулы.

6СО2 + 6Н2О + 686 ккал = С6Н12О6 + 6О2.

Энергия Солнца переходит в химическую энергию молекул. При попадании в организм они окисляются с выделением энергии. Так, в конечном итоге мы используем энергию Солнца.

Термохимия

Раздел термодинамики, изучающий превращение энергии при протекании химических процессов, называется химической термодинамикой, или термохимией. В термохимии уравнения химических реакций называются термохимическими. Для них характерно, что:

эти уравнения записывают с учетом термодинамических функций состояния системы;

7

учитывается 1 моль вещества, поэтому возможны дробные коэффициенты;

в термохимических уравнениях указывается агрегатное состояние веществ;

с термохимическими уравнениями можно производить обычные алгебраические действия.

Например,

N2(г) + 3H2(г) = 2NH3г), Н > 0.

Впервые первое начало термодинамики к химическим процессам применил русский ученый Гесс.

В 1840 г. был открыт закон, который называется законом Гесса: превращение энтальпии при образовании продуктов из данных реагентов при постоянном давлении не зависит от числа и вида реакций, в результате которых образуются эти продукты. Суммарное изменение энтальпии (ΔН) равно:

H1 = H2 + H3 = H4 + ΔH5 + ΔH6.

Для большинства химических процессов ΔH можно рассчитать по стандартным энтальпиям образования или сгорания реагентов и продуктов. Проведя такие расчеты, можно предсказать энергетику того или иного химического процесса. Энтальпия образования, определенная при стандартных параметрах, называется стандартной (ΔH°обр). Расчет Н химической реакции по энтальпиям образования производят на основе первого следствия из закона Гесса, которое гласит: измене-

ние энтальпии химической реакции равно алгебраической сумме энтальпий образования продуктов за вычетом алгебраической суммы энтальпий образования реагентов, взятых с учетом стехиометрического количества реагентов и продуктов.

H°р-ции = ∑ΔH°обр. реагентов – ∑ΔH°обр. продуктов

N2(г) + 3Н2(г) = 2NН3г)

H°р-ции = 2 H° (обр. (NН3(г))) – H° (обр. (N2г))) +3ΔH° (обр. (Н2(г))).

Втермохимии энтальпии образования простых веществ Н2,O2,N2

идр. приняты равным нулю. Тогда для приведенного выше уравнения

при раскрытии скобок получится:

H°р-ции = 2 H° (обр. (NН3(г)).

Энтальпия сгорания вещества – это изменение энтальпии сис-

темы, сопровождающее окисление одного моль вещества до высших

8

оксидов. Энтальпия, определенная при стандартных параметрах, называется стандартной – ΔH°сгор.(х). Расчет изменения энтальпии по энтальпиям сгорания производят на основе второго следствия из за-

кона Гесса, которое гласит: изменение энтальпии химической ре-

акции равно алгебраической сумме энтальпий сгорания реагента за вычетом алгебраической суммы энтальпии сгорания продуктов, взятых с учетом стехиометрического количества реагентов и продуктов.

H°р-ции = ∑ΔH°сгор. реагентов – ∑ H°сгор. продуктов.

2C(т) + 2H2(г) → C2H2(г)

H°р-ции = H° (сгор. C(т)) + H° (сгор. 2H2(г)) – H° (сгор. C2H2(г)).

Понятие о коэффициенте калорийности пищи

Рассматриваются коэффициенты калорийности основных компонентов пищи: белков, жиров и углеводов.

С помощью закона Гесса и его следствий оценивается калорийность пищевых продуктов.

Коэффициентом калорийности называют энтальпию сгорания 1 г вещества, взятую с обратным знаком. Выражается в кДж/г или ккал/г (1 кал = 4,18 Дж).

Коэффициенты калорийности:

Для расчета калорийности порции пищи, содержащей белки (mб), углеводы (mу) и жиры (mж) используют формулы:

Кmin = (mб × 16,5 + mу × 16,5 + mж × 37,7) кДж; Кmax = (mб × 17,2 + mу × 17,2 + mж × 39,8) кДж.

На основании данных по калорийности пищевых продуктов составляются научно-обоснованные нормы потребления пищевых веществ для различных групп населения в зависимости от пола, возраста, характера труда. Пользуясь этими величинами, как средними данными врач составляет нормы потребления пищевых веществ каждого пациента в отдельности.

9

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Термодинамика. Основные понятия и термины. Система. Фаза. Классификация систем. Термодинамические параметры. Стандартные термодинамические параметры.

2.Термодинамические функции состояния системы. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Термодинамические

функции состояния системы. Энтальпия. Термохимия. Термохимиические уравнения, их особенности. Закон Гесса. Энтальпии образования и сгорания. Стандартные энтальпии образования и сгорания. Следствия из закона Гесса, формулировки, математические выражения, примеры.

3.Понятие о коэффициенте калорийности пищи. Коэффициенты калорийности основных компонентов пищи: белков, жиров и углеводов.

10