Рис. 3.1. Обмен теплотой и работой системы и внешней среды

ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

 

Предмет химической термодинамики

 

Слово термодинамика происходит от греческих слов «термос» (теплота) и «динамос» (сила, движение). Она изучает различные формы энергии и их взаимные превращения, возможности превращения энергии в полезную работу. Термодинамика занимается исследованием энергии и работы в макроскопических системах.

Применение различных законов термодинамики к химическим и физико-химическим процессам является предметом химической термодинамики. Химическая термодинамика изучает превращения энергии при химических реакциях и способность химических систем совершать полезную работу. Знание закономерностей химической термодинамики позволяет:

- определить, возможно ли в принципе химическое взаимодействие между данными веществами при определенных условиях;

- определить, до какой степени может протекать реакция, прежде чем установится химическое равновесие при данных условиях;

- выбрать оптимальные условия проведения процесса, обеспечивающие получение максимального выхода нужного продукта;

- рассчитать количество энергии, которое выделится при проведении реакции или необходимо затратить для ее осуществления.

Итак, знание законов химической термодинамики позволяет решать, не прибегая к эксперименту, многие задачи производственной и научно-исследовательской работы.

В термодинамике, как и в других научных дисциплинах, имеются свои понятия, термины и величины.

 

 

Основные понятия химической термодинамики

 

Всякий материальный объект, изучаемый термодинамикой, называется термодинамической системой или просто системой. Остальное пространство со всем, что в нем содержится, называется окружающей средой.

Системой называется тело или совокупность тел, находящихся во взаимодействии и мысленно или фактически обособленных от окружающей среды.

Системы можно классифицировать по различным признакам. По характеру обмена с окружающей средой системы бывают открытые, закрытые, изолированные. Так, раствор, находящийся в химическом стакане, представляет открытую систему, так как она может обмениваться с окружающей средой и веществом, и энергией. Система, которая не может обмениваться с окружающей средой ни веществом, ни энергией, называется изолированной. Промежуточный случай – это закрытая система, которая может обмениваться с окружающей средой энергией, но обмен веществом невозможен.

Система называется гетерогенной, если она состоит из различных фаз (частей), разграниченных поверхностью раздела. Фаза - часть системы, однородная во всех точках по составу и свойствам и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Система, в которой нет поверхности раздела, называется гомогенной. Гомогенные системы - физически однородные, гетерогенные - физически неоднородные. Термодинамические системы делятся на простые (химически однородные) и сложные (химически неоднородные). Система, состоящая из простого вещества или определенного химического соединения, называется простой. Сложной называется такая система, которая состоит из двух или более веществ.

Совокупность всех физических и химических свойств системы характеризует ее состояние. Изменение каких-нибудь свойств системы означает изменение ее состояния. Величины, которые характеризуют состояние системы и могут быть непосредственно изменены, называются термодинамическими параметрами состояния. Основными параметрами являются: давление р, объем V, температура T, концентрация C.

Кроме параметров состояния в термодинамике широко используются величины, называемые термодинамическими функциями. Это переменные величины, которые не могут быть непосредственно измерены и зависят от параметров состояния. Термодинамические функции бывают двух видов: функции состояния (U, H, S, G)и функции процесса (Q, А).

    К функциям состояния относятся такие, изменения которых не зависят от пути и способа проведения процесса, а зависят от начального и конечного состояния системы. Так, например, функцией состояния является внутренняя энергия системы U. Это обозначает, что если в начальном состоянии системы ее внутренняя энергия равна U ₁, а в конечном состоянии U ₂, то изменение Δ U = U ₂ – U ₁ не зависит от того, как осуществляется процесс.

В противоположность функциям состояния изменение функций процесса зависит от того, при каких условиях и каким путем протекает процесс. К функциям процесса относятся теплота Q и механическая работа А.

 

Теплота и работа

 

Теплота и работа являются двумя разными формами передачи энергии.

Теплота является мерой энергии, переданной от одного тела к другому за счет разницы температур этих тел.

Работа является мерой энергии, переданной от одного тела к другому за счет перемещения масс под действием каких-либо сил. Система выполняет работу, если она действует с некоторой силой, направленной на преодоление сопротивления. Чаще всего приходится иметь дело с работой, связанной с расширением или сжатием газа. Работа в этих случаях равна

 

А = р •_Δ V,

 

где А – работа расширения газа;

р – внешнее давление;

 _Δ V – изменение объема, _Δ V = V ₂ - V ₁.

Теплоту и работу измеряют в джоулях или килоджоулях. В химической термодинамике считают положительными теплоту, подводимую к системе, и работу, которую система совершает против внешних сил. Так, если перед работой стоит знак “минус”, это означает, что работа выполняется над системой (когда внешнее давление р больше давления внутри системы и происходит сжатие газа) (рис. 1).

 

                Внешняя среда                     Внешняя среда

 

                                               

 

Рис. 3.1. Обмен теплотой и работой системы и внешней среды

 

Количество поглощенной (или выделенной) в процессе теплоты и совершенной работы зависит от способа проведенного процесса, то есть теплота и работа – функции процесса (функции пути).