- •Министерство образования и науки рф
- •Введение
- •Раздел I. Основы химической термодинамики
- •1.1 Основные понятия, используемые в химической термодинамике
- •1.2 Первый закон термодинамики
- •1.3 Термохимия
- •1.3.1 Закон Гесса и следствия из него. Расчет тепловых эффектов
- •1.3.2 Понятие о теплоемкости веществ
- •1.3.3 Влияние температуры на тепловой эффект
- •1.4 Второй закон термодинамики. Энтропия
- •1.4.1 Процессы самопроизвольные и несамопроизвольные,
- •1.4.2 Формулировки и математическое выражение
- •II закона термодинамики
- •1.4.3 Изменение энтропии – критерий направления
- •1.4.4 Статистическая интерпретация энтропии
- •1.4.5 Расчет изменения энтропии при протекании
- •1.4.6 Абсолютные значения энтропии твердых, жидких
- •1. Абсолютное значение энтропии твердых кристаллических тел.
- •2. Абсолютное значение энтропии жидкости.
- •3. Абсолютное значение энтропии газа.
- •1.5 Термодинамические потенциалы
- •Критерии оценки направления самопроизвольного протекания процессов
- •Раздел II. Растворы и гетерогенные равновесия
- •2.1 Основные понятия и определения
- •2.2 Химический потенциал
- •Условие термодинамического равновесия в растворе
- •2.4 Условие равновесия в гетерогенной системе
- •2.5 Правило фаз Гиббса
- •2.6 Равновесие в однокомпонентной двухфазной системе.
- •2.7 Применение правила фаз Гиббса к анализу диаграммы
- •2.8 Равновесие в гетерогенных системах, состоящих
- •2.8.1 Равновесие жидкость – пар. Закон Рауля
- •2.8.2 Коллигативные свойства растворов
- •2.8.3 Равновесие жидкость-жидкость. Распределение вещества
- •Раздел III. Химическое равновесие
- •3.1 Уравнение изотермы химической реакции
- •3.2 Влияние внешних условий на протекание химической реакции
- •Раздел IV. Электрохимия
- •4.1 Равновесие в растворах слабых электролитов
- •4.2 Термодинамика растворов сильных электролитов
- •4.3 Электрическая проводимость растворов электролитов
- •4.4 Электродвижущие силы и электродные потенциалы
- •Механизм возникновения электродных потенциалов и их расчет
- •Термодинамика гальванического элемента
- •Основные типы электродов и расчет их потенциала
- •Раздел V. Химическая кинетика и катализ
- •5.1 Основной закон химической кинетики.
- •5.2 Основы формальной кинетики кинетика необратимых реакций
- •5.3 Методы определения порядка реакции
- •3. Метод Вант-Гоффа.
- •5.4 Влияние температуры на скорость реакции
- •5.5 Основные понятия катализа
1.1 Основные понятия, используемые в химической термодинамике
Объектом изучения термодинамики является термодинамическая система.
Термодинамическая система (или просто система) – это тело или совокупность тел, выделяемых в пространстве с помощью реально существующей или воображаемой границы. Иными словами, система – это та часть материального мира, которая является предметом нашего наблюдения или исследования. Системой может быть, например, колба с реакционной смесью, человек, теплообменник на предприятии.
Остальная часть материального мира, т.е. за пределами условно выделенной из него системы, – окружающая среда.
Термодинамическая система обязательно должна содержать большое число частиц (молекул, атомов). Системы с малым числом частиц термодинамика не рассматривает.
Взаимодействие системы с окружающей средой состоит из обмена энергией и веществом. Различают открытые, закрытые и изолированные системы.
Состояние любой термодинамической системы может быть охарактеризовано количественно с помощью термодинамических параметров состояния. Различают два типа параметров состояния.
Экстенсивные параметры пропорциональны количеству вещества системы. Например, объем, масса, площадь поверхности, заряд.
Интенсивные параметры не зависят от количества вещества (температура, давление, поверхностное натяжение). Интенсивными параметрами являются также удельные (т.е. отнесенные к чему-либо) значения экстенсивных параметров, например, концентрации веществ, мольные объемы.
Уравнения, связывающие параметры состояния термодинамической системы, – уравнения состояния данной системы.
Например, уравнением состояния идеального газа является уравнение Менделеева-Клапейрона
. (1.1)
В качестве параметров состояния идеального газа могут быть выбраны любые два параметра из трех – p, V, T. Этого достаточно, поскольку третий параметр может быть рассчитан по уравнению (1.1).
Процесс – это любое изменение в системе, приводящее к изменению, по крайней, хотя бы одного параметра состояния.
Отметим некоторые частные виды процессов:
1) изотермический (T = const);
2) изобарный (р = const);
3) изохорный (V = const);
4) адиабатический (нет теплообмена с окружающей средой);
5) изобарно-изотермический (р, T = const);
6) изохорно-изотермический (V, T = const).
Если в результате процесса система возвращается в исходное состояние, такой процесс называется круговым (или циклом). Циклические процессы часто совершаются в природе и технике, например, при работе двигателя внутреннего сгорания.
Материя не может существовать без движения, а мерой движения является энергия.
Энергия (философская категория) – это мера способности системы совершать работу. Энергия может существовать в разнообразных формах, например, химическая, электрическая, механическая, ядерная, солнечная энергия.
Механическая энергия, в свою очередь, подразделяется на кинетическую энергию и потенциальную энергию.
Кинетическая энергия – это энергия, связанная с движением тела.
Потенциальная энергия – это энергия, запасенная телом.
Химическая система может состоять из атомов, молекул и ионов либо из любой их комбинации. Все эти частицы обладают кинетической и потенциальной энергией. Сумма кинетической и потенциальной энергий всех частиц в системе называется внутренней энергией системы. Внутренняя энергия обозначается буквой U.
Кинетическая энергия движения самой системы и потенциальная энергия положения ее в пространстве во внутреннюю энергию не входят.
Абсолютное значение внутренней энергии определить невозможно, но легко найти изменение ее ΔU при переходе системы из исходного состояния 1 в конечное 2:
ΔU = U2 – U1.
Величина ΔU считается положительной, если в рассматриваемом процессе внутренняя энергия системы возрастает.
Работа А и теплота Q – две возможные формы передачи энергии от одной системы к другой. При этом теплота связана с беспорядочным (хаотическим) перемещением микрочастиц: энергия передается путем хаотических столкновений молекул соприкасающихся тел, т.е. путем теплопроводности. Работа – форма передачи энергии путем упорядоченного движения частиц. Например, расширение газа, находящегося под давлением.
Теплота и работа, в отличие от внутренней энергии, не являются свойствами системы: они возникают только тогда, когда возникает процесс, и характеризуют только процесс. Теплота и работа в общем случае являются функцией процесса.
Внутренняя энергия – функция состояния. Термодинамические функции состояния – это величины, которые зависят от параметров состояния.
Термодинамические функции состояния имеют ряд важных свойств.
Изменение функции состояния определяется только исходным и конечным состоянием системы и не зависит от пути перехода этой системы из исходного в конечное состояние. С математической точки зрения это означает, что любое бесконечно малое изменение функции состояния системы является полным дифференциалом:
.
В круговом процессе конечное состояние совпадает с начальным, поэтому любая функция состояния принимает первоначальное значение, а ее изменение равно нулю:
.
Свойство аддитивности: величина термодинамической функции для всей системы складывается из величин этой функции для определенных частей системы.
Единица измерения Q, U, A в системе СИ – Дж (Нм).