Классификация термодинамических процессов.

ТЕРМОДИНАМИКА

Термодинамика - это наука о превращениях одних видов энергии в другие.

Химическая термодинамика применяет законы и положения классической термодинамики к химическим и физико-химическим процессам. Она изучает превращения химической энергии в теплоту, работу и другие формы энергии, а также определяет возможность и направление самопроизвольного протекания реакции.

Термодинамика возникла как теория паровых машин, где теплота превращается в работу. Объектом изучения термодинамики является термодинамическая система. Она обычно состоит из одного или нескольких веществ, взаимодействующих между собой и более или менее обособленных от окружающей среды.

Система – это тело или группа тел, объектов природы, отделённых от других реальной или воображаемой поверхностью.

Объекты, не входящие в систему, называется СРЕДОЙ.

Классификация систем.

I. По характеру обмена с окружающей средой термодинамич. системы делятся на:

Открытые. Это системы, которые могут обмениваться с окружающей средой и энергией и веществами. ΔЕ  0, Δm  0

Например: океан, живой организм.

Закрытые. Это системы, в которых отсутствует обмен веществом с окружающей средой, но они могут обмениваться с ней энергией. ΔЕ  0, Δm = 0

Например, теплица, батарея.

Изолированные. Это системы, объем которых остается постоянным и которые не обмениваются энергией и веществом с окружающей средой. ΔЕ = 0, Δm = 0.

Например, кабина космического корабля, термос.

II. По количеству фаз.

ФАЗА – это часть системы, обладающая во всех точках одинаковыми химическими и физическими свойствами (не путать с агрегатным состоянием).

Различают:

1) гомогенные (состоит из одной фазы): 2Н_2(г)+ О_2(г)→2Н₂О_(г), раствор сахара или другого хорошо растворимого вещества в воде, чистый атмосферный воздух (или иная смесь газов),

2) гетерогенные (состоит из 2 или более фаз):

4 Fe _(т) + 3 O _2(г) +6 H ₂ O _(ж) →4 Fe (OH)₃

                                     ржавчина

А также взвесь мела или другого нерастворимого вещества в воде, туман или дым (аэрозоли).

Совокупность всех физических и химических свойств системы называется состоянием системы, котороехарактеризуется набором определенных значений параметров (температура, давление, объем, плотность, масса и т.п.) и функций.

Параметры состояния – переменные величины, которые могут быть непосредственно заданы и измерены: температура Т, объем V, давление Р.

Уравнение, описывающее взаимосвязь параметров состояния, называется уравнением состояния:

pV = ν ·RT

Термодинамические параметры называются стандартными, если они определяются при стандартных условиях.

К стандартным условиям относят:

t=250С или Т= (t⁰С +273) = 298 К; р= 101,3 кПа = 1 атм; С(х) = 1 моль/л.

Если с течением времени при отсутствии внешних воздействий значение всех параметров остается неизменным в каждой точке системы, то система находится в равновесном состоянии (в равновесии). Если хотя бы один параметр изменяется с течением времени, то идет термодинамический процесс.

Если при протекании процесса наблюдается изменение состава системы, то процесс называют химической реакцией.

ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ РЕАКЦИИ

Так как на разрушение связей энергия затрачивается, а при образовании связей - выделяется, и оба эти процесса энергетически неравноценны, то любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением теплоты - тепловым эффектом.

Например: С(т) + О₂(г) = СО₂ (г) + 394 кДж/моль, т.е, при сгорании 1 моль углерода выделяется 394 кДж энергии.

Уравнения реакций, в которых, помимо исходных веществ и продуктов реакции, указывается ее тепловой эффект, а также агрегатные состояния веществ, называются термохимическими.

Тепловой эффект реакции - это количество выделенного или поглощенного в ходе реакции тепла, отнесенное к 1 молю вещества, при условии, что температура постоянна и равна 298 К, а система не совершает никакой работы, кроме работы расширения.

Тепловой эффект измеряется в Дж (кДж) или килокалориях (1 ккал = 4,184 кДж).

Если в ходе реакции теплота выделяется, реакция называется экзотермической (Q > 0), если поглощается - эндотермической (Q < 0).

Тепловой эффект считают положительным для эндотермических процессов (ΔH > 0, теплота поглощается) и отрицательным для экзотермических процессов (ΔH < 0, теплота выделяется).

Основной закон термохимии - закон Гесса:

- тепловой эффект реакции не зависит от пути протекания химического процесса, т.е. от числа и характера промежуточных стадий, а только от начального и конечного состояний веществ.

Следствия из закона Гесса:

1. Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции: Q _пр.= - Q_обр ( закон Лавуазье - Лапласа ).

Это означает, что при образовании любого соединения выделяется (поглощается) столько же энергии, сколько поглощается (выделяется) при его распаде на исходные вещества.

 Например: горение водорода в кислороде

2 Н₂(г) + 0₂(г) —›2 Н₂О(ж) + 572 кДж

 Разложение воды электрическим током:

2 Н₂О(ж) —›2 Н₂(г) + О₂(г) - 572 кДж

2. Тепловой эффект реакции равен разности между суммой энтальпий образования продуктов реакции и суммой энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

аА + вВ           сС + dD

исходные          продукты

вещества

Δ H ^0 х. р. = Σ υ Δ H ^0прод.– Σ υ Δ H ^0исх.

    Решение задач осуществляется, используя алгоритм:

1) выписать уравнение;

2) выписать количество вещества = стехиометрическим коэффициентам под соответствующим компонентом;

3) выписать значение ΔН^o₂₉₈ из таблицы;

4) рассчитать ΔН_х.р

С помощью закона Гесса можно определить величины тепловых эффектов, которые невозможно определить экспериментально.

ЭНТРОПИЯ

Долгое время считалось, что реакции самопроизвольно могут протекать только экзотермические процессы, однако испарение, растворение нитратов и тому подобное, является эндотермическим, тоже могут протекать самопроизвольно.

Должна быть функция состояния, которая характеризовала бы возможность самопроизвольного протекания процесса. Это энтропия (S). Введена в 1865 году Клаузисом.

 

 

Рассмотрим два сосуда, содержащих инертные газы: Ne и Ar. Они не взаимодействуют друг с другом.

  I состояние                                                             II состояние

 

 

Ne                 Ar

Если соединить оба сосуда, то газы перемешаются.

Процесс смешения не сопровождается тепловым эффектом. Самопроизвольное разделение газов невозможно.

Нахождение газов в сосудах характеризуется определёнными параметрами: температура, давление, объём и др., которые описывают состояние системы в целом, т.е. макросостояние. Каждая молекула газа обладает собственными параметрами - энергией, скоростью, координатами и т.п., которые характеризуют микросостояние. Таким образом, каждое макросостояние осуществляется с помощью громадного числа микросостояний.

Это число называют термодинамической вероятностью системы (W).

Термодинамическая вероятность – это число способов, которыми достигается данное состояние или число микросостояний, отвечающих данному макросостоянию.

Термодинамическая вероятность определяет, каким образом может быть реализована данная система.

Например, если система состоит из 10 молекул‚ расположенных в 4 ячейках, молекулы можно расположить в ячейках 1260 различными способами, т.е. W = 1260. Для 1 моля газообразного водорода (число молекул в нем равно 6‚02^.10²³) W = 10²⁵.

ТЕРМОДИНАМИКА

Термодинамика - это наука о превращениях одних видов энергии в другие.

Химическая термодинамика применяет законы и положения классической термодинамики к химическим и физико-химическим процессам. Она изучает превращения химической энергии в теплоту, работу и другие формы энергии, а также определяет возможность и направление самопроизвольного протекания реакции.

Термодинамика возникла как теория паровых машин, где теплота превращается в работу. Объектом изучения термодинамики является термодинамическая система. Она обычно состоит из одного или нескольких веществ, взаимодействующих между собой и более или менее обособленных от окружающей среды.

Система – это тело или группа тел, объектов природы, отделённых от других реальной или воображаемой поверхностью.

Объекты, не входящие в систему, называется СРЕДОЙ.

Классификация систем.

I. По характеру обмена с окружающей средой термодинамич. системы делятся на:

Открытые. Это системы, которые могут обмениваться с окружающей средой и энергией и веществами. ΔЕ  0, Δm  0

Например: океан, живой организм.

Закрытые. Это системы, в которых отсутствует обмен веществом с окружающей средой, но они могут обмениваться с ней энергией. ΔЕ  0, Δm = 0

Например, теплица, батарея.

Изолированные. Это системы, объем которых остается постоянным и которые не обмениваются энергией и веществом с окружающей средой. ΔЕ = 0, Δm = 0.

Например, кабина космического корабля, термос.

II. По количеству фаз.

ФАЗА – это часть системы, обладающая во всех точках одинаковыми химическими и физическими свойствами (не путать с агрегатным состоянием).

Различают:

1) гомогенные (состоит из одной фазы): 2Н_2(г)+ О_2(г)→2Н₂О_(г), раствор сахара или другого хорошо растворимого вещества в воде, чистый атмосферный воздух (или иная смесь газов),

2) гетерогенные (состоит из 2 или более фаз):

4 Fe _(т) + 3 O _2(г) +6 H ₂ O _(ж) →4 Fe (OH)₃

                                     ржавчина

А также взвесь мела или другого нерастворимого вещества в воде, туман или дым (аэрозоли).

Совокупность всех физических и химических свойств системы называется состоянием системы, котороехарактеризуется набором определенных значений параметров (температура, давление, объем, плотность, масса и т.п.) и функций.

Параметры состояния – переменные величины, которые могут быть непосредственно заданы и измерены: температура Т, объем V, давление Р.

Уравнение, описывающее взаимосвязь параметров состояния, называется уравнением состояния:

pV = ν ·RT

Термодинамические параметры называются стандартными, если они определяются при стандартных условиях.

К стандартным условиям относят:

t=250С или Т= (t⁰С +273) = 298 К; р= 101,3 кПа = 1 атм; С(х) = 1 моль/л.

Если с течением времени при отсутствии внешних воздействий значение всех параметров остается неизменным в каждой точке системы, то система находится в равновесном состоянии (в равновесии). Если хотя бы один параметр изменяется с течением времени, то идет термодинамический процесс.

Если при протекании процесса наблюдается изменение состава системы, то процесс называют химической реакцией.

Классификация термодинамических процессов.

I.По тепловому эффекту:

1) экзотермические (с выделением тепла);

2) эндотермические (с поглощением тепла).

Химическое уравнение с указанием теплового эффекта называется термохимическим.

Zn _(т) + H ₂ SO _4(ж) → ZnSO _4(ж) + H _2(г)  + 165,7 кДж

                             тепловая энергия, выделяется в ходе реакции (Q)

Такая запись в последнее время используется мало.

II. По неменяющемуся параметру:

1) если V – const, то изохорный;

2) если p – const, то изобарный;

3) если T – const, то изотермический;

4) если Q -  const, то адиабатические.

Химические реакции наиболее часто протекают в изобарно—изотермических условиях (р, \/ = конст).

Химическая термодинамика изучает системы в их начальном и конечном состоянии. Свойства систем, не зависящие от пути протекания термодинамического процесса, а зависящие только от начального и конечного состояний системы, называются термодинамическими функциями или функциями состояния системы.

К ним относятся: энтропия, энтальпия, внутренняя энергия, тепловой эффект, свободная энергия Гиббса.