1. Баланс энергии. Работа. Теплота. Внутренняя энергия.

Любая система может иметь три составляющих энергии: потенциаль­ную Е_пот, кинетическую Е_кин и внутреннюю U.

Потенциальная энергия определяется внешними полями, например по­лем силы тяжести, электрическим полем, магнитным полем и т, д., и положе­нием в пространстве системы. В частности, в поле земного тяготения потен­циальная энергия системы зависит от высоты над уровнем земли h и ускоре­ния силы тяжести Кинетическая энергия зависит от скорости поступательно­го движения и от угловой скорости, если система совершает вращательное движение.

Внутренняя энергия не зависит ни от положения системы в про­странстве, ни от скорости ее движения, а определяется свойствами самой сис­темы: давлением, температурой и др. В неподвижной системе, не подверженной действию внешних сил, та­ким образом, остается лишь одна составляющая - внутренняя энергия, изме­нение которой может быть вызвано двумя способами. Один из них - передача энергии к системе или из системы под действием сил, имеющих направление, в частности, давления. Этот способ передачи энергии называется работой. Второй способ обмена энергией происходит под действием параметров, не имеющих направления. Он называется теплотой.

Принято считать работу, совершаемую системой, положительной, а ра­боту, совершаемую над системой, отрицательной. Теплота, переходящая к системе, положительна, а теплота, отводимая от системы, отрицательна.

Баланс энергии (с учетом приведенной выше системы знаков работы W и теплоты Q) выражается первым законом термодинамики:

где - изменение внутренней энергии.

2. Энтальпия. Теплоты изохорического и изобарического процессов.

При постоянном объеме простая система не может совершать какую-либо работу. Поэтому теплота химической реакции при постоянном объеме равна изменению внутренней энергии:

Работа расширения равна произведению давления на изменение объема:

или при постоянном давлении:

(постоянную величину можно вносить за знак приращения). Теплота при постоянном давлении окажется равной

Сумма под знаком приращения представляет собой функцию, называемую энтальпией H;

Таким образом, при постоянном давлении теплота равна изменению энтальпии:

3. Закон Гесса и важнейшие следствия из него.

Тепловой эффект реакции - теплота, сопровождающая данную реак­цию и отнесенная к определенному количеству вещества. Величина теплового эффекта реакции зависит от условий ее проведения и состояния веществ. вступающих в реакцию (реагентов), и веществ, образующихся в результате реакции (продуктов реакции).

Впервые основное свойство тепловых эффектов реакции, проводимых при постоянном объеме или при постоянном давлении, было сформулировано в 1840 г. Г.И. Гессом.

Закон Гесса утверждает: тепловой эффект реакции не зависит от промежуточных стадий, а определяется лишь начальными и конечными состояниями ве­ществ, если единственной работой является работа расширения, и объем (или давление) в ходе реакции остается неизменным. Таким образом, если возможно проведение реакций несколькими спо­собами, то при совпадении состояний реагентов и продуктов реакции тепло­вой эффект ее должен быть одним и тем же.

Из закона Гесса вытекают два важнейших следствия:

1) тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования про­стых веществ продуктов реакции за вычетом суммы теплот об­разовании из простых веществ исходных соединении;

2) тепловой эффект реакции равен сумме теплит сгорания исход­ных соединении за вычетом суммы теплот сгорания продуктов реакции.

(Далее можно привести пример как с использованием закона Гесса вычислить тепловой эффект какой-нибудь реакции).

Формулу расчета тепловых эффектов реакций по первому следствию из закона Гесса можно представить следующим образом:

Общая формула для расчета тепловых эффектов по второму следст­вию из закона Гесса имеет следующий вид

Второе следствие из закона Гесса наиболее широко используется для расчета тепловых реакций с участием органических соединений, так как зна­чительно легче определять их теплоты сгорания в кислороде, чем теплоты образования из элементов.

Данные, используемые для расчетов по закону Гесса тепловых эффек­тов, как правило, приводятся в справочниках. Банки данных для справочников создаются усилиями многих исследователей, работающих в разных странах. При проведении термохимических исследований могут применяться различ­ные методы. Более того, условия работы могут быть разными. В зависимости от климатических условий измерения могут проводиться при разных темпера­турах. Полученные таким путем результаты окажутся бесполезными, так как нарушается одно из основных 'требований: состояния соединений, вступающих в реакцию, и продуктов реакции должны совпадать.

В связи с этим химики многих стран, входящие в Международный Со­ки но чистой и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemislry. сокращенно ILTAC). пришли к соглашению об условиях, к кото­рым следует относить термохимические дачные. Они получили название стандартных термохимических условий

1. Все данные относятся к одной температуре: 25°С, или 298К.

2. Давление вступающих в реакцию веществ и продуктов реакции составляет 1 атм.

3. Вещества находятся в наиболее устойчивом при указанной тем­пературе и давлении агрегатном состоянии (или наиболее устой­чивой кристаллической модификации).

4. Все вещества (и вступающие в реакцию, и получаемые в данной реакции) должны быть в чистом виде.