Теплота процесса в различных условиях

Изохорный процесс   (V = const)

Работа изохорного процесса W = 0. Тогда, как следует из первого начала термодинамики, теплота процесса в изохорных условиях Q_V равна изменению внутренней энергии:

Так как внутренняя энергия является функцией состояния, то в изохорных условиях теплота

 

(1.10)

 

приобретает свойства функции состояния.

 

Изотермический процесс   (T = const)

По закону Гей-Люсака-Джоуля внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и не зависит от объема и давления. Следовательно, в изотермическом процессе не происходит изменения внутренней энергии (Δ U = 0). Тогда из первого начала термодинамики следует

 

(1.11)

Таким образом, вся теплота в изотермическом процессе идет на совершение работы, Работа изотермического процесса совершается за счет подведенной теплоты.

 

Изобарный процесс   (p = const)

(1.12)

или для конечного процесса

 

(1.13)

Функция H = U + pV называется энтальпией.

Энтальпия, как и внутренняя энергия, является функцией состояния, поэтому в изобарных условиях теплота Q_P приобретает свойства функции состояния.

Изохорный и изобарный тепловые эффекты связаны соотношением

 

(1.14)

Методы расчета и измерения тепловых эффектов химических реакций рассматриваются в разделе физической химии – термохимии. Рассмотрим практически важные из них.

Закон Гесса  является основным законом термохимии. Он гласит:

Тепловой эффект процесса не зависит от пути его протекания (промежуточных стадий), а определяется начальным и конечным состоянием системы при условии, что давление и температура или объем системы и температура в ходе всего процесса остаются постоянными.

Закон Гесса позволяет рассчитывать тепловые эффекты реакций, если известны тепловые эффекты других реакций с участием тех же веществ. Из закона Гесса следует два важных следствия:

1. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования продуктов реакции и исходных веществ (с учетом стехиометрических коэффициентов).

Теплотой образования вещества называется тепловой эффект реакции образования одного моля вещества из простых веществ. Простым веществом называется химическое соединение, состоящее из атомов одного элемента, в наиболее устойчивой модификации при данных условиях. В изобарных условиях теплота образования (энтальпия образования) обозначается Δ _f H (f – сокращение от английского слова   formation  – образование). Значения теплот образования при стандартных условиях  для большого количества веществ приведены в таблицах стандартных термодинамических величин в справочниках (см., например, [2]). Стандартные условия – нормальное атмосферное давление 101320 Па (1 атм или 760 мм рт. ст.). Для термодинамических функций, стандартные условия указываются надстрочным индексом ^“0”. Например, H ⁰.

 2. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот сгорания исходных веществ и продуктов реакции (с учетом стехиометрических коэффициентов).

Теплотой сгорания вещества Δ _c H (c – сокращение от английского слова combustion – горение) называется тепловой эффект реакции сгорания одного моля вещества в избытке кислорода до CO₂, H₂O_(ж.), N₂, SO₂ и галогеноводородов. Стандартные теплоты сгорания  можно найти в справочниках, однако, они приведены для значительно меньшего количества веществ (в основном органических), чем теплоты образования.