Термодинаміка. Термохімія

У будь-якому процесі приріст внутрішньої енергії якої-небудь системи U = U₂ – U₁ дорівнює кількості повідомленій системі теплоти Q мінус кількість роботи А, здійснюваною системою:

U = Q - А

При нескінченно малому прирості об'єму одержимо нескінченно малу роботу розширення газу

dA = p dV

Для ізохорного процесу V = const, то dV =0, dA = 0;

Для ізобарного процесу p = const; A = p(V₂ – V₁), А = R (Т₂ – Т₁),

При ізотермічному процесі Т=const, p і v — змінні величини.

A = 2,303 RT lg V₂ / V₁ та A = 2,303 RT lg p₁ / p₂

При адіабатному процесі одночасно змінюються тиск, температура і об'єм газу, причому теплообмін з навколишнім середовищем не встигає відбутися (наприклад, при явищі вибуху), тобто

Q = const, а dQ = 0. A = - U = U₁ – U₂

Напишемо рівняння першого початку термодинаміки для розглянутих термодинамічних процесів, підставивши відповідне значення роботи розширення газу.

Для ізобарного процесу

Qp = U + p (V₂ – V₁ )

Для ізохорного процесу

Q_V = U

Для ізотермічного процесу V₂

Q_T = A = 2,303 RT lg —

V₁

p₁

Q_T = A = 2,303 RT lg —

p₂

Термохімічні розрахунки

Хімічні реакції можуть проходити як з виділенням теплоти (екзотермічні реакції), так і з поглинанням теплоти (ендотермічні реакції).

Кількість теплоти, яка виділяється чи поглинається, називається тепловим ефектом реакції і позначається ΔН. Тепловий ефект реакції залежить від температури і тиску.

Якщо всі продукти реакції та вихідні речовини перебувають у стандартному стані

(Т= 298 К, р = 101,3 кПа), то ΔН називають стандартним тепловим ефектом реакції і позначають ΔН°.

Рівняння реакції, в якому вказано тепловий ефект, називають термохімічним рівнянням реакції.

У таких рівняннях коефіцієнти біля формул означають число молів відповідних речовин і тому можуть бути дробовими числами. Тепловий ефект реакції записується після хімічного рівняння і відділяється від нього крапкою з комою. Значення ΔН сто­сується того числа молів речовин, яке зазначено рівнянням реакції. У термохімічних рівняннях також зазначається стан речовин: кристалічний (к), рідкий (р), газуватий (г).

Під час екзотермічних процесів значення ΔН від'ємне, і під час ендотермічних — додатне.

Наприклад, термохімічне рівняння реак­ції горіння водню має вигляд:

2Н_{2 (Г)} + О_{2 (Г)} = 2Н₂О _(Г) ; ΔН ° = - 483,6 кДж.

Наведене термохімічне рівняння вказує, що дана реакція є екзотермічною і при спалюванні

2-х моль водню в 1 моль кисню виділяється 483,6 кДж теплоти.

Теплота утворення (кДж/моль) — це тепловий ефект реакції утворення одного моль речовини зі стійких простих речовин при тиску 101,3 кПа і температурі 298 К. Тепловий ефект реакції утворення стійких простих речовин за стандартних умов приймається рівним нулю.

У 1840 р. Г. І. Гесс відкрив важливий закон термохімії: тепловий ефект реакції залежить від стану вихідних речовин і кінцевих продуктів, але не залежить від проміжних стадій реакції.

Із закону Гесса витікає, що тепловий ефект реакції (ΔН°) дорівнює різниці сум теплових ефектів реакцій утворення кінцевих продуктів реакції (ΔН° кінц) і вихідних речовин (ΔН° вих).

Теплота згоряння — це кількість теплоти, яка виділяється при повному згорянні палива.

Теплота згоряння, віднесена до одиниці маси (кг), або об'єму (м³), називається питомою теплотою згоряння палива.

Із закону Гесса витікає три наслідки:

І Тепловий ефект розкладання якої -небудь хімічної сполуки рівний по абсолютній величині і протилежний за знаком тепловому ефекту його утворення

Q_розкл = - Q_утвор, Q_розкл + Q_утвор = 0

II. Якщо здійснюються дві реакції, що приводять з різних початкових станів до однакових кінцевих, то різниця теплових ефектів цих реакцій є тепловим ефектом переходу з одного початкового стану в інший початковий.

Наприклад: С(гр) + О₂ = СО₂ + 393,77 кДж;

С(алм) + О₂ = СО₂ + 395,65 кДж.

Віднімаючи перше рівняння з другого, одержимо

С(алм) — С(гр) = 1,88 кДж або С(алм) = С(гр) + 1,88 кДж.

Величина 1,88 кДж на 1 г-атом карбону і є тепловим ефектом переходу одного початкового стану (алмаз) в інший початковий стан (графіт).

III. Якщо здійснюються дві реакції, що приводять з однакових початкових станів до різних кінцевих, то різниця між їх тепловими ефектами є тепловим ефектом переходу з одного кінцевого стану в інший кінцевий стан.

Наприклад:

С + О₂ = СО₂ + 393,77 кДж;

С + ½ О₂ = СО + 110,62 кДж

Віднімаючи друге рівняння з першого, одержимо:

½ О₂ = СО₂ — СО + 283,15 кДж або

СО + ½ О₂ = СО₂ + 283,15 кДж.

Величина 283,15 кДж і буде тепловим ефектом переходу з одного кінцевого стану (СО) в інший кінцевий (СО₂).