1. Тепловые эффекты химических реакций и калориметрия

1.1. Теоретическая часть

Основные понятия

Термодинамика изучает взаимные переходы различных форм энергии, не ограничиваясь рассмотрением соотношений между теплотой и механической работой. Термодинамика основана на трех законах природы, благодаря этому ее выводы обладают общностью и не зависят от статистической теории, как классической, так и квантовой. Объектом изучения термодинамики является система. Формально система определяется как некоторая часть объективного мира, которая подвергается термодинамическому изучению.

Термохимия – раздел химической термодинамики, в задачу которой входит определение и изучение тепловых эффектов реакций, а также установление их взаимосвязей с различными физико-химическими параметрами. Ещё одной из задач термохимии является измерение теплоёмкостей веществ и установление их теплот фазовых переходов.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики это закон сохранения энергии. «Энергия мира остается постоянной» (Клаузиус). Поэтому если некоторая система теряет энергию, то в окружающей среде должно наблюдаться соответствующее увеличение ее. Кроме того, когда энергия одного вида превращается в энергию другого вида, должно существовать количественное соотношение между этими величинами, независимое от систем и определяемое только формами превращающейся энергии. Чтобы выразить первый закон в математическом виде, рассмотрим некоторую систему, содержащую определенное количество вещества – твердого, жидкого или газообразного. Система может быть гомогенной или гетерогенной и подвергаться или не подвергаться химическому изменению. С изменением состояния системы в общем связаны следующие изменения энергии:

1. Энергия системы U может возрастать или убывать. Возрастание энергии системы обозначается через dU, если оно бесконечно мало, и через ΔU, если его можно непосредственно измерить.

2. Система может поглотить из окружающей среды некоторое количество тепла или отдать его в окружающую среду. Первый закон применим в равной мере к тем случаям, когда поглощение тепла вызывает повышение температуры (например, когда кристалл поглощает теплоту при нагревании ниже точки плавления), так и к тем случаям, когда температура остается постоянной (например, при нагревании кристалла в точке плавления). Бесконечно малое количество тепла, поглощаемого системой, обозначается через Q.

3. Система может совершать работу над окружающей средой или окружающая среда над системой. Бесконечно малая работа, совершаемая системой над окружающей средой, обозначается через A. Для системы с постоянной массой первый закон термодинамики можно, следовательно, записать в виде:

dU = Q – A,

(1.1)

где Q и А - неполные дифференциалы.

Работа A может складываться из работ различного типа: механической, электрической, гравитационной и поверхностной. Ограничимся только механической работой. Если система под давлением Р увеличивает свой объем на бесконечно малую величину dV, то работа, совершенная системой над окружающей средой , равна PdV. Поэтому для любого изменения в системе с постоянной массой при отсутствии электрического, гравитационного и поверхностного изменений A = PdV и первый закон записывается в виде:

dU = Q – PdV,

(1.2)

где U – внутренняя энергия системы.