Полезные материалы за все 6 курсов / Ответы к занятиям, экзаменам / Термодинамика

Министерство здравоохранения и социального развития Российской Федерации

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Саратовский государственный медицинский университет имени В.И. Разумовского» Министерства здравоохранения и социального

развития Российской Федерации

(ГБОУ ВПО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздравсоцразвития России)

Методические указания к лабораторно – практическому занятию

для студентов медицинских специальностей

Термодинамика

Дисциплина: общая химия. I курс.

Очная форма обучения. Длительность занятия: 90 минут.

Разработка составлена асс. Куликовой Л.Н.

2011 г

1

Приложение 1: Вопросы для подготовки к занятию:

1)Предмет и методы химической термодинамики. Взаимосвязь между процессами обмена веществ и энергии в организме. Химическая термодинамика как теоретическая основа биоэнергетики.

2)Основные понятия термодинамики. Интенсивные и экстенсивные параметры. Функция состояния. Внутренняя энергия. Работа и теплота - две формы передачи энергии.

3)Типы термодинамических систем (изолированные, закрытые, открытые).

4)Типы термодинамических процессов (изотермические, изобарные, изохорные).

5)Первое начало термодинамики.

6)Энтальпия. Стандартная энтальпия образования вещества, стандартная энтальпия сгорания вещества. Стандартная энтальпия реакции.

7)Закон Гесса.

8)Применение первого начала термодинамики к биосистемам.

9)Второе начало термодинамики. Обратимые и необратимые в термодинамическом смысле процессы. Энтропия.

10) Энергия Гиббса. Прогнозирование направления самопроизвольно

2

протекающих процессов в изолированной и закрытой системах; роль энтальпийного и энтропийного факторов. Термодинамические условия равновесия.

11)Стандартная энергия Гиббса образования вещества, стандартная энергия Гиббса биологического окисления вещества. Стандартная энергия Гиббса реакции.

12)Понятие экзергонических и эндергонических процессов, протекающих в организме. Принцип энергетического сопряжения.

3

Приложение 1: Краткий теоретический материал

Уже в конце 18 века было известно, что жизнедеятельность человека – это взаимосвязанные процессы химических превращений (окисление продуктов питания и т.д.) и энергетического обмена в организме (А. Лавуазье , П. Лаплас).

Химическая термодинамика – это раздел физической химии, изучающий взаимопревращение теплоты и энергии при протекании химической реакции.

Термодинамика основана на ряде понятий: система, состояние системы, параметры состояния системы, функции состояния системы, внутренняя энергия системы и т. д.

Термодинамическая система – это тело или группа тел, взаимодействующих между собой, и отделённых от окружающей среды реальной или воображаемой поверхностью раздела.

Изолированная система – это система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Закрытая система – это система, которая не обменивается со средой веществом, но обменивается энергией.

Открытая система – это система, которая обменивается со средой и веществом, и энергией.

Примером открытой системы является живая клетка.

Состояние системы – это набор свойств системы, позволяющих описать систему с точки зрения термодинамики.

Например, для оценки состояния человеческого организма, как термодинамической системы, врач должен оценить некоторые его свойства (температура, давление, концентрация биологических жидкостей).

Физические свойства, характеризующие состояние системы, называют

параметрами состояния системы.

Взаимодействие системы с окружающей средой заметно по изменению параметров системы.

Экстенсивные параметры – это параметры, которые зависят от количества вещества системы и суммируются при объединении систем (объём, масса,

энергия, площадь и т.д.).

4

Интенсивные параметры – это параметры, которые не зависят от количества вещества и выравниваются при объединении систем (температура,

давление, концентрация, плотность, поверхностное натяжение).

Параметры состояния связаны уравнением состояния.

Переход системы из одного состояния в другое с изменением хотя бы одного параметра называется термодинамическим процессом.

Если процесс идет при постоянном давлении, он называется изобарным процессом. При постоянном объёме - изохорным, при постоянной температуре -

изотермическим.

Функция состояния - это характеристика системы, которая не поддается прямому измерению, а рассчитывается через параметры состояния.

Значение функции состояния не зависит от способа его достижения, а только от начального и конечного состояния системы. Внутренняя энергия является одной из таких функций.

Внутренняя энергия - сумма всех видов энергий движения и взаимодействия частиц, составляющих систему.

В XIX веке немецкий судовой врач Майер Ю.Р. и английский ученый Джоуль Д. показали, что теплота и работа способны к взаимопревращениям, являясь разными способами передачи энергии.

Теплота - форма передачи энергии путем хаотического движения микрочастиц.

Работа - форма передачи энергии путём направленного движения макросистемы как целого.

Наблюдая за людьми в разных климатических зонах, Майер сделал вывод, что теплота сгорания пищи используется на поддержание постоянной температуры тела и на выполнение мускульной работы. Это наблюдение легло в основу 1 закона термодинамики.

Первый закон термодинамики (первое начало термодинамики):

энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а переходит из одного вида энергии в другой

или приращение внутренней энергии системы в некотором процессе равно теплоте, полученной системой, плюс работа,

совершенная над системой.

∆U= Q + A

5

∆U - внутренняя энергия Q - теплота

A - работа

На основе 1 закона термодинамики, являющегося фундаментальным законом природы, простыми расчетами получают ценные сведения о процессах обмена веществ и энергии в организме.

Термохимия – это раздел термодинамики, изучающий теплоты протекания химических реакций.

Закон Гесса: теплота химической реакции, протекающей при постоянном давлении или объёме, не зависит от пути процесса, а только от начального и конечного состояний системы.

Если из одних веществ можно получить другие разными путями, то суммарный тепловой эффект по первому пути равен суммарному тепловому эффекту по второму пути. Закон Гесса позволяет на практике рассчитывать тепловые эффекты реакций, которые сложно отслеживать или на это требуется длительное время. Например, суммарная теплота биологического окисления продуктов питания в организме, равна теплоте их прямого сгорания.

Энтальпия-это функция состояния, приращение которой равно тепловому эффекту процесса, протекающего при постоянном давлении.

Способы расчета стандартной энтальпии химической реакции

1) По стандартным энтальпиям (теплотам) образования веществ

Стандартная энтальпия (теплота) образования вещества – это тепловой эффект реакции образования 1 моль химического соединения из простых веществ в стандартных условиях: Т=289 К, Р=1 атм=101325 Па.

Теплоты образования простых веществ равны нулю.

νi , νj – стехиометрические коэффициенты перед соответствующими веществами в уравнении реакции.

6

2) По стандартным энтальпиям (теплотам) сгорания веществ

Стандартная энтальпия (теплота) сгорания вещества – это тепловой эффект реакции полного сгорания 1 моль химического соединения в стандартных условиях.

Теплоты сгорания высших оксидов (в том числе СО2 и Н2О) приняты равными нулю.

Второй закон термодинамики устанавливает возможность, направление и глубину протекания самопроизвольного процесса.

Самопроизвольный процесс - процесс, протекающий без каких-либо воздействий извне, и приближающий систему к состоянию равновесия.

Термодинамически обратимый процесс– процесс, протекающий в прямом и в обратном направлении без изменений в системе и в окружающей среде, т.е. при переходе из начального состояния в конечное все промежуточные состояния являются равновесными.

При наличии неравновесных промежуточных состояний процесс считают

термодинамически необратимым.

В природе устойчивы системы, обладающие минимальной энергией. Тогда самопроизвольными должны быть лишь экзотермические процессы. Но это не так. Значит, имеется другой критерий самопроизвольного протекания процесса – энтропия (S).

Энтропия - мера энергетического беспорядка в системе, мера хаоса, мера той энергии, которая рассеивается в виде тепла и не превращается в работу.

Второй закон термодинамики (второе начало термодинамики):

Самопроизвольно протекают процессы, приводящие к увеличению общей энтропии системы и окружающей среды

7

При переходе вещества из газообразного состояния в жидкое и далее в кристаллическое энтропия уменьшается. Согласно уравнению Больцмана энтропия может быть равна нулю только в одном единственном состоянии.

В 1911 г. Планк сформулировал постулат, известный как третий закон

термодинамики:

энтропия идеально построенного кристалла чистого вещества (без дефектов и примесей) при абсолютном нуле равна нулю.

Этот закон устанавливает нуль отсчета для энтропии, что позволяет рассчитывать её абсолютное значение, т.к.

ΔS = ST −S0 = ST

Визолированной системе (U, V=const) в самопроизвольном процессе возрастает энтропия. В состоянии равновесия энтропия максимальна и постоянна.

Взакрытой и открытой системе критерием самопроизвольного протекания процесса является уменьшение энергии Гиббса (G).

G=H-TS

H – энтальпия T – температура S – энтропия

Используя энергию Гиббса, второй закон термодинамики можно выразить так:

При постоянстве температуры и давления в системе самопроизвольно протекают только процессы, ведущие к уменьшению энергии Гиббса. В состоянии равновесия энергия Гиббса равна нулю.

∆G ≤0 (р, Т=const)

При ∆G<0 реакция самопроизвольно протекает в прямом направлении; ∆G>0 в обратном направлении

∆G=0 реакция находится в состоянии равновесия. Изменение энергии Гиббса определяется формулой

Первое слагаемое называют энтальпийным фактором, второе – энтропийным фактором. Уменьшению энергии Гиббса, а значит и самопроизвольному протеканию процесса, способствует уменьшение ∆Н (процессы с выделением тепла) и рост энтропии (процессы с ростом разупорядоченности в системе).

Стандартная энергия Гиббса химической реакции рассчитывается по формуле с использованием табличных данных:

G2980 , х. р = ( i G0f ,298 )кон − ( j G0f ,298 )исх

или

G2980 , х. р. = H 2980 − 298 S2980 ,

9

где

H 2980 = ( i H 0f ,298 )кон − ( j H 0f ,298 )исх ,S2980 = ( i S2980 )кон − ( j S2980 )исх

Экзергонические процессы – химические реакции, в результате которых уменьшается энергия Гиббса и система совершает работу.

Эндергонические процессы – химические реакции, в результате которых возрастает энергия Гиббса и над системой совершается работа.

Например, окисление глюкозы в крови процесс экзергонический, поскольку, сопровождается уменьшением энергии Гиббса, а в результате этой реакции возможно осуществлять различные виды работ в организме.

Приложение 2: Вопросы для самоконтроля

1.Что изучает химическая термодинамика?

2.Что называют параметрами состояния?

3.Чем отличаются интенсивные и экстенсивные параметры?

4.Какую функцию можно назвать функцией состояния?

5.Дайте определения понятий внутренняя энергия, теплота, работа.

6.Какие типы термодинамических систем вам известны? Чем они отличаются?

7.Какие типы термодинамических процессов выделяют?

8.Сформулируйте первое начало термодинамики.

9.Дайте определения понятий энтальпия, стандартная энтальпия образования вещества, стандартная энтальпия сгорания вещества.

10.Что такое стандартная энтальпия реакции? Какие способы её расчёта известны?

11.Сформулируйте закон Гесса.

12.Сформулируйте второе начало термодинамики. Что оно позволяет спрогнозировать?

13.Обратимые и необратимые в термодинамическом смысле процессы.

14.Дайте определение понятия энтропия.

15.Энергия Гиббса. Прогнозирование направления самопроизвольно протекающих процессов в изолированной и закрытой системах; роль энтальпийного и энтропийного факторов.

16.Термодинамические условия равновесия.

17.Что такое стандартная энергия Гиббса образования вещества, стандартная

10