Занятие № 8 (Лабораторная работа ) Химическая термодинамика. Определение теплового эффекта реакций
Термодинамика – это наука изучающая взаимопревращения одного вида энергии в другой.
Химическая термодинамика — наука изучающая энергию химических и физических процессов, происходящих в макроскопических системах.
Химические (биохимические) процессы, происходящие в биологических системах, могут быть двух типов с противоположной природой:
- образование и накопление высокомолекулярных веществ, которые содержат химические энергетические запасы, называется ассимиляцией (анаболизм);
- выделение энергии за счет разложения сложных веществ называется диссимиляцией (катоболизм)
Основными задачами химической термодинамики является предсказание ее способности выполнять любой процесс, включая биохимические процессы, устанавливать их пороговые значения и объяснять конечное состояние процесса (включая равновесие).
Термодинамический процесс происходит в термодинамической системе. Система — часть пространства, ограниченная границей раздела от окружающей среды. Системы бывают:
1. Открытыми – они обмениваются с окружающей средой веществом и энергией. Человеческий организм также является открытой системой, которая обменивается с окружающей средой энергией (тепловая и солнечная энергия) и веществами (пища и отходы).
2. Закрытые системы —такие системы обмениваются с окружающей средой только энергией. Например, обогреватели или охладители.
3.Изолированные системы — такие системы не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Условно, как пример можно привести воду в термосе, т.е. любую вакуумированную систему.
Если в закрытой системе происходят процессы, но при этом не происходит обмена веществом и энергией, то процесс называется адиабатическим.
Состояние системы определяется как сумма ее физических и химических свойств, приобретенных за определенную единицу времени.
Если макроскопическое состояние какой-либо системы не изменяется в результате происходящих в ней процессов (без влияния внешних факторов), то равновесная система характеризуется равновесными значениями.
Если система является однородной (однофазовой), то есть ее компоненты не разделены поверхностными границами, она называется гомогенной, а если она разделена на составные части - гетерогенной.
Фаза – это изолированная часть системы, которая является однослойной, однородной, следовательно обладающей одинаковыми физико- химическими свойствами. То есть, гомогенные системы - однофазные, а гетерогенные - многофазные. Например, при полном растворении CuSO4 в воде, система является однофазной гомогенной.
Первый закон термодинамики
Первый закон термодинамики устанавливает связь между энергией и работой. Любая система характеризуется определенным количеством энергии. Если системе подается определенное количество тепла, ее можно использовать для увеличения внутренней энергии системы и для работы против внешних сил.
Q = ΔU + A.
Данное уравнение показывает изменение теплоты (отражение закона сохранения энергии) и является математическим выражением первого закона термодинамики.
Следствия из первого закона термодинамики:
постулат. Невозможно получать большее количество полезной работы, чем количество сообщённой ему извне энергии, т.е. невозможно создание вечного двигателя первого рода.
постулат. Энергия не образуется из ничего и не исчезает в никуда. Она превращается из одного вида в другой, в эквивалентных количествах.
В изотермическом процессе (T = const) тепло из одного тела в другое передается без изменения температуры.
В изохорическом процессе (V=const) величина работы за счёт расширения системы равна нулю (pΔV=0).
В изобарном процессе (p=const) количество теплоты, сообщённое системе расходуется на повышение внутренней энергии и выполнение работы против внешних воздействий.
Энтальпия Н - это тепловой эффект химической реакции при P=const. Она равна сумме внутренней (U) и потенциальной (pV) энергий.
Н = U + pV
Энтальпия, являясь термодинамической функцией, определяется параметрами системы: T, V, p и U.
Процессы, происходящие в живых организмах, обычно, осуществляются при V=const и P = const. Следовательно, в биологических процессах тепловой эффект расходуется на изменение энтальпии, работу, выполняемой системой и образование первичной тепловой энергии.