Энергетические характеристики систем. Энтальпия.
Лекция 6
Тема 4. «Энергетика химических реакций.
Основы термохимии и химической термодинамики».
В процессе химических реакций происходят существенные качественные изменения в системах, в частности разрываются связи в молекулах исходных веществ и возникают новые связи в молекулах продуктов реакции. Всё это приводит к изменению энергии системы, которая выделяется или поглощается в различных формах, которые называются энергетическими эффектами. Изучением энергетических эффектов химических реакций, химических и физико-химических явлений, а также направлением и пределами самопроизвольного протекания химических реакций занимается раздел химии – химическая термодинамика.
Термодинамика (от греческих слов) – это наука о температуре, теплоте и работе. С появлением и развитием энергетического подхода к химическим реакциям стало возможным предсказывать их направление, математически оценивать различия в химических свойствах веществ.
Любые химические реакции всегда сопровождаются теми или иными энергетическими эффектами: выделением или поглощением теплоты, света, совершением электрической или механической работы. Энергетические эффекты в виде теплоты и работы, будучи легко измеренными, позволяют количественно охарактеризовать конкретную химическую реакцию, поведение в ней тог или иного вещества.
В тех случаях, когда изменение энергии происходит в форме теплоты вместо термина «энергетический эффект» используют термин «тепловой эффект».
|
|
|
Реакции, проходящие с выделением тепла, называются – экзотермическими.
Реакции, проходящие с поглощением тепла, называются – эндотермическими.
4.1. Основные понятия и терминология.
В химической термодинамике широко используется понятие система. Под системой понимают произвольно выбранную часть пространства, содержащую одно или несколько веществ или предметов, находящихся во взаимодействии и мысленно или фактически отделенную от окружающей среды. Между отдельными частями системы возможно химическое взаимодействие или перераспределении массы и энергии. Существуют тритипа систем: изолированная, закрытая и открытая, характеризующиеся по характеру их обмена движением с внешней средой.
Изолированной называют системумасса и энергия которой неизменны. Это означает, что передача вещества и движения через оболочку такой системы исключена. Практически абсолютно изолированных систем не существует. В первом приближении к таким системам можно отнести запаянную ампулу с хорошей теплоизоляцией
Закрытой – называют систему, масса которой постоянна, а энергия может меняться. Такая система не препятствует процессам теплопередачи и работы, но через её оболочку не происходит перенос вещества.
|
|
|
Открытые системы способны изменять как свою массу, так и энергию.
Часть системы, обладающая во всех своих точках одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенная от других частей системы границами (поверхностью) раздела, называется фазой.
По количеству фаз системы делят на: гомогенные и гетерогенные.
Гомогенной называется однофазовая система, в которой все вещества находятся в одинаковом агрегатном состоянии.
Гетерогенной называется многофазовая система. В такой системе могут содержаться вещества или одно вещество в различных агрегатных состояниях (раствор – осадок; вода - лёд; вода – пар; вода – лед – пар).
Одна и та же система может находиться в различных состояниях. Состояние системы можно описать рядом свойств, из которых наиболее легко определяемыми являются: давление Р, температура Т, объём V и концентрация С. Эти свойства называются термодинамическими параметрами. Изменение величины хотя бы одного из них приводит к изменению системы в целом.
В химической термодинамике свойства системы рассматриваются в равновесных состояниях.
|
|
|
Термодинамическое состояние системы называют равновесным, если оно характеризуется однозначностью всех термодинамических параметров во всех точках системы и не изменяется самопроизвольно.
Энергетические характеристики систем. Энтальпия.
К важнейшим энергетическим характеристикам системы относят: внутреннюю энергию U.
Под внутренней энергией системы подразумевают общий её запас, складывающийся из кинетической и потенциальной энергией молекул, атомов, атомных ядер и электронов. Она включает в себя кинетическую энергию поступательного, вращательного и колебательного движений структурных единиц, а также потенциальную энергию межмолекулярного и межатомного взаимодействия и энергию взаимодействия внутриатомных частиц, т. е. все виды энергии, кроме кинетической и потенциальной энергии системы как целого.
Абсолютная величина внутренней энергии неизвестна, она не можетбыть определена, т.к. нельзя привести систему в состояние лишенное энергии, однако, можно измерить её изменение ∆U при переходе из одного состояния в другое (из состояния 1 в состояние 2):
∆U = U2–U1.
Внутренняя энергия U является термодинамической функцией состояния конкретной системы. Это значит, что когда система оказывается в некотором состоянии, внутренняя энергия принимает определенное значение, которое определяется только начальным и конечным состояниями системы и не зависит от способа проведения процесса.
|
|
|
Система может обмениваться со средой энергией в виде теплоты иработы (если обмена нет – система изолирована).
Теплота Q – мера энергии, переданной от одного тела к другому за счет разности температур.
Под работой А – имеют в виду работу против всех сил, действующих на систему (внешнее давление, электрическое поле, магнитное поле и др.). В химических процессах обычно совершается работа расширения или сжатия, т.е. изменение объёма газообразных реагентов.
Теплота и работа не являются функциями состояния.
В любом процессе соблюдается закон сохранения энергии – энергия никуда не исчезает и не может возникнуть из ничего. Согласно закону сохранения энергии, общее количество энергии при любых её видоизменениях остаётся одним и тем же.
Для неизолированной системы, в которой обмен энергией происходит в форме тепла, справедливо равенство:
Q = ∆ U + A,
которое означает, что если к системе подводится теплота, то в общем случае она расходуется на изменение внутренней энергии ∆U и совершение работы А. Если это уравнение записать в виде:
∆ U = Q – A,
то это уравнение – математическая запись Первого закона термодинамики.
Из I закона термодинамики следует, что изменение внутренней энергии расходуется на теплоту и совершение работы, но какая часть её превращается в теплоту, а какая пойдет на совершение работы зависит от условий проведения процесса. Соотношение между теплотой и работой может быть различным.
Химические процессы протекают: I. Либо в изохорно – изотермическом режиме (V = const, T = const) – это процессы протекающие в закрытых сосудах – автоклавах; II. либо в изобарном режиме (Р =const), в открытых сосудах – колбах, пробирках , что наиболее типично для лабораторных и промышленных процессов.
Работу, совершенную системой при переходе из состояния 1 в состояние 2, обычно представляют в виде выражения:
А = Р•∆V,
тогда для I случая при V = const, ∆V = 0, и А = Р•∆V = 0, т.е. работа не совершается и тепло, подведённое к системе расходуется только на изменение внутренней энергии:
Q ( V = const ) =∆ U .
Во IIслучае, I закон термодинамики запишется следующим образом:
Q( Р =const) =∆U + Р•∆V,
ат.к. ∆U = U2 – U1и ∆V = V2 – V1, тоQ(Р=const) = (U2 – U1) + Р•( V2 – V1) или
Q(Р=const) = (U2 + Р•V2) – (U1 + Р•V1)
Сумму внутренней энергии и произведения объёма на внешнее давление
(U + Р•V) называют энтальпией Н:
Н = U + Р• V .
Энтальпия – определенное свойство вещества, являющееся мерой энергии, накапливаемой веществом при его образовании.
Также как V, P, T и внутренняя энергия энтальпия является функцией состояния системы.
Для процессов, в которых происходит только расширение:
Q (Р= const ) =Н2– Н1=∆Н.
I закон термодинамикив этом случае формулируется следующим образом:
теплота, подведённая к системе при постоянном давлении, расходуется на изменение энтальпии.
Из сопоставления:Q (Р= const ) = ∆Н и Q ( V = const ) =∆ Uвидно, что:
Q (Р= const ) ≠ Q ( V = const ), т.е. тепловой эффектпроцесса зависит только от условий его проведения.
Дата добавления: 2021-01-20; просмотров: 54; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!