Введение. Конспект лекций для студентов

Содержание

Хомич В.А.

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Конспект лекций для студентов

специальности 240502 «Технология переработки

пластических масс и эластомеров»

Омск 2008

УДК 541.1

ББК 24.5

Х 76

Рецензенты:

канд. хим. наук, доц. кафедры «Естественнонаучные и инженерные дисциплины» ОГИС В.Л. Штабнова;

канд. хим. наук, доц., зав. кафедрой «Технологии промышленности»

филиала ГОУ ВПО «РосЗИТЛП» в г. Омске В.И. Нохрин

Конспект лекций рекомендован к изданию Советом филиала ГОУ ВПО «РосЗИТЛП» в г.Омске.

Химическая термодинамика: Конспект лекций для студентов специальности 240502 «Технология переработки пластических масс и эластомеров». – Омск, 2008. – 47 с.

Конспект лекций включает основные вопросы химической термодинамики: первый и второй законы термодинамики, термохимия, термодинамика агрегатных превращений, термодинамические потенциалы. Изложение теоретического материала сопровождается примерами решения практических задач. Приводятся контрольные вопросы для самопроверки знаний по дисциплине «Химическая термодинамика».

Табл. 3. Библиогр.: 2 назв.

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..…...3

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ…………………………………..…...6

ТЕРМОХИМИЯ…………………………………………………………….…..13

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ……………………………………...20

ТЕРМОДИНАМИКА АГРЕГАТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ…………………....29

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ………………………………...33

СТАТИСТИЧЕСКИЙ ХАРАКТЕР ВТОРОГО ЗАКОНА

ТЕРМОДИНАМИКИ………………………………………………….40

Контрольные вопросы………………………………………………………….44

Библиографический список……………………………………………………46

План лекции: Определение дисциплины. Основные понятия и определения химической термодинамики: система; закрытая, открытая и изолированная системы; термодинамические параметры состояние системы; интенсивные и экстенсивные параметры; термодинамический процесс; круговой (циклический) процесс; обратимый и необратимый процесс; функция состояния системы; равновесное и неравновесное состояния системы.

Термодинамика изучает законы взаимных превращений различных видов энергии, связанных с переходами энергии между телами в форме теплоты и работы. Обычно она изучает только макроскопические системы.

Химическая термодинамика изучает изменение энергии в результате процессов в системе, приводящих к изменению её состава и физико-химических свойств.

Химическая термодинамика - это общенаучная дисциплина, которая представляет важнейший раздел физической химии. Химическая термодинамика - базовая дисциплина для студентов химико-технологических специальностей. Она дает знания, необходимые для глубокого изучения общенаучных дисциплин (физической, аналитической и коллоидной химии), а также специальных дисциплин.

Объектами изучения химической термодинамики являются тепловые балансы физико-химических процессов, фазовые и химические равновесия.

В результате изучения химической термодинамики студент должен знать: первый закон термодинамики; взаимосвязь теплоты, работы и изменения внутренней энергии в различных термодинамических процессах; законы Гесса и Кирхгофа, их применение для расчетов тепловых эффектов; второй закон термодинамики, его статистический характер; применение энтропии и термодинамических потенциалов как критериев равновесия и направления самопроизвольных процессов.

Изучив химическую термодинамику, студент должен уметь: грамотно применять представления, законы и методы химической термодинамики для изучения закономерностей протекания и равновесия химических и физико-химических процессов; самостоятельно выполнять физико-химические расчеты; применять знания химической термодинамики при решении инженерных и технологических задач в процессе последующего обучения и в своей будущей профессиональной деятельности инженера химика-технолога.

Рассмотрим основные понятия и определения химической термодинамики.

Термодинамическая система – это любой изучаемый макроскопический материальный объект, отделённый от внешней (окружающей) среды реальной или воображаемой границей.

Типы термодинамических систем:

а) закрытая (замкнутая) система отличается постоянством общей массы, она не обменивается с внешней средой веществом. Обмен энергией в форме теплоты, излучения или работы возможен;

б) открытая система обменивается энергией и веществом с внешней средой;

в) изолированная система не обменивается энергией (теплотой или работой) и веществом с внешней средой и имеет постоянный объём;

г) адиабатически-изолированная система лишена возможности только теплообмена с внешней средой, она может быть связана с внешней средой работой получаемой от неё и совершаемой над ней.

Параметры состояния системы – это любые измеряемые макроскопические характеристики состояния системы. Различают:

-интенсивные параметры – параметры, не зависящие от массы (температура T, давление р).

-экстенсивные параметры (ёмкостные) – параметры пропорциональные массе вещества (объем V, теплоемкость C, масса m). Экстенсивные параметры станут интенсивными, если их отнести к единице массы вещества (удельный объем V_уд, плотность).

Термодинамический процесс – это всякое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного из термодинамических параметров. Изменение вследствие химического превращения называется химической реакцией.

Виды процессов:

1. T = const – изотермический или изотермный.

2. P = const – изобарический или изобарный.

3. V = const – изохорический или изохорный.

4. Q = const – адиабатический или адиабатный.

Круговым (циклическим) процессом или циклом называется процесс, в течение которого система изменяла свои свойства и в конце которого вернулась к исходному состоянию.

Обратимый процесс – это идеальное понятие. Он протекает как в прямом так и в обратном направлении без изменения работоспособности системы. Обратимый процесс протекает бесконечно медленно через одну и ту же последовательность состояния равновесия в обоих направлениях, чтобы после возвращения системы в первоначальное состояние ни в окружающей среде, ни в самой системе не было никаких изменений. В обратимых процессах совершается максимальная работа.

При необратимом процессе возвращение системы в исходное состояние связано с изменением состояния внешней среды. Поэтому затрата работы на обратный процесс (возвращение в исходное состояние) значительно больше работы прямого процесса. _.

Функция состояния системы – это параметр, изменение которого зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути процесса (внутренняя энергия U, энтальпия H, энергия Гиббса G, энергия Гельмгольца F, энтропия S, химический потенциал μ).

Равновесное состояние системы – это состояние, при котором термодинамические параметры не изменяются со временем и сохраняют одинаковые значения в каждой фазе; при этом энергия системы минимальна.

Неравновесное состояние системы – это состояние, при котором термодинамические параметры изменяются со временем.