Студопедия КАТЕГОРИИ: АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
ЭНЕРГЕТИКА И НАПРАВЛЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ)
Эти вопросы входят в круг задач науки химической термодинамики, которая изучает взаимные превращения различных видов энергии в зависимости от условий протекания процесса, устанавливает количественные законы этих переходов, а также направление и пределы самопроизвольного протекания химических реакций при заданных условиях. Основные понятия и определения Объект изучения в термодинамике – система. Под системой понимается тело или группа тел, состоящих из большого числа частиц и мысленно (или фактически) обособленных от окружающей среды. Различают гомогенные системы, они состоят из одной фазы; и гетерогенные, они состоят из двух или нескольких фаз. Фаза – часть термодинамической системы, однородная во всех точках по составу и свойствам и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Кроме того, системы делят на: · открытые – те, которые обмениваются с окружающей средой и веществом и энергией; · закрытые – те, которые обмениваются с окружающей средой энергией; · изолированные – те, которые не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Переход системы из одного состояния в другое называется процессом. Химическая система – частный случай термодинамической системы. Она может быть однофазной(гомогенной) или многофазной(гетерогенной). Пример: истинный раствор любой соли (NaCl, CuSO4) – гомогенная система; насыщенный раствор любой соли с кристаллами (NaCl, CuSO4) – гетерогенная система. Для полного описания системы достаточно знать некоторое минимальное количество термодинамических свойств. Это параметры состояния системы: t, P, V, концентрация. Они связаны между собойфункцией состояния. В общем случае функцию состояния можно записать: f(t, P, V, n1, …, ni) = 0. Частный случай функции состояния: PV = nRT – уравнение состояния n молей идеального газа. Функцией состояния называется параметрическое изменение, которое зависит от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути процесса. В соответствии с определением изменение функции состояния не зависит от пути и способа перехода системы из одного состояния в другое и определяется разностью значений функций в этих состояниях, т.е.:
Δf = fкон. – fнач. = f 2 – f 1. К важнейшим функциям состояния, характеризующим химические системы, относятся: - внутренняя энергия, U; - энтальпия, Н; - энтропия, S; - свободная энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал), G; - свободная энергия Гельмгольца (изохорно-изотермический потенциал), F. Внутренняя энергия – общий запас энергии системы за вычетом кинетической энергии системы и потенциальной энергии ее положения. Она складывается из кинетической и потенциальной энергии молекул, атомов, атомных ядер и электронов, из энергии их взаимодействия между собой, энергии связей атомов, атомных ядер и электронов, из энергии их взаимодействия между собой и т.д. Обозначается: U, измеряется в кДж, кДж/моль. Абсолютное значение внутренней энергии измерить невозможно, но можно измерить ее изменение (DU = U2 – U1) при переходе из одного состояния в другое. D U считается положительной (DU > 0), если при протекании какого-либо процесса внутренняя энергия возрастает, и отрицательной (DU < 0), если при протекании какого-либо процесса она уменьшается. Известны две формы передачи энергии от одной системы к другой: упорядоченную форму передачи энергии называют работой (А), а неупорядоченную – теплотой (Q). Работа является мерой энергии, переданной от одного тела к другому за счет перемещения масс под действием каких-либо сил. Теплота – мера энергии, переданная от одного тела к другому за счет разницы температур этих тел. Эта форма передачи энергии связана с хаотичным движением молекул соприкасающихся тел; при соударении молекулы более нагретого тела передают энергию молекулам менее нагретого тела. Переноса вещества при этом не происходит. И теплота, и работа измеряются в кДж. В химической термодинамике считают положительными теплоту,подводимую к системе, и работу, которую система совершает против внешних сил. Внутреннюю энергию системы можно изменить: 1) совершив какую-либо работу над системой; 2) сообщив системе какое-то количество теплоты. Внутренняя энергия является функцией состояния системы: ее изменение не зависит от пути и способа перехода системы из одного состояния в другое и определяется начальным и конечным состоянием, т.е. DU = U2 – U1. (1) Теплота (Q) и работа (А) функциями состояния системы не являются, т.е. количество поглощенной (или выделенной) в процессе теплоты и совершенной работы зависит от пути проведения процесса. Первый закон термодинамики Взаимосвязь между внутренней энергией, теплотой и работой устанавливает первый закон (начало) термодинамики. Его математическое выражение: Q = DU + A, (2) или для бесконечно малого изменения dQ = dU + dA . (3) Это означает, что теплота Q, подведенная к системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии DU и на совершение системой работы А над внешней средой. Работа, совершаемая системой (над системой), складывается из полезной работы А1 и работы расширения рDV: А = А1 + рDV или, для бесконечно малого изменения, dA = dA1 + рdV. Т.к. Q и А можно измерить непосредственно, то, используя уравнение (2), можно рассчитать DU. Изобарные процессы (р = const). Существует множество процессов, в которых полезная работа равна 0. В этом случае работа расширения является единственным видом работы, т.е. A = рDV. (4) В этом случае математическое выражение 1-го закона термодинамики запишется: Qр = DU + рDV, (5) где Qр – теплота, подведенная к системе при постоянном давлении (изобарный процесс). Учитывая, что DU = U2 – U1 и DV = V2 – V1, уравнение (4) запишется: Qр = U2 – U1 + рV2 – рV1 = (U2 + рV2) – (U1 + рV1). (6) Сумма (U + рV) – энтальпия системы, обозначается Н, т.е. Н = U + рV (7) и часто определяется как теплосодержание системы. Оно включает в себя внутреннюю энергию и работу, измеряется в кДж/моль, кДж. Подставив (6) в (5), получим: Qр = Н2 – Н1 = DН, (8) т.е. теплота, подведенная к системе при постоянном давлении (р = const) расходуется на приращение энтальпии системы. Поскольку DН определяется разностью (Н2 – Н1) и не зависит от пути и способа проведения процесса, энтальпия является функцией состояния системы. Изохорные процессы (V = const). Если процесс протекает при постоянном объеме, V = const (DV = 0 и рDV = 0) и система не совершает работы, то вся подведенная к системе теплота расходуется на приращение ее внутренней энергии, т.е. QV = U2 – U1 = DU, (9) то есть теплота, подведенная к системе при постоянном объеме (V = const), расходуется на приращение внутренней энергии. Таким образом, для двух важных процессов – изобарного и изохорного – теплота процесса приобретает свойства функции состояния, т.е. она не зависит от пути и способа осуществления процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы. Это – математическое следствие из I начала термодинамики. Следует отметить, что подавляющее большинство химических реакций происходит при постоянном давлении (р = const), поэтому в дальнейшем основное внимание будет уделено изобарным процессам, а энергетический эффект реакции будет оцениваться изменением энтальпии. |
||
Последнее изменение этой страницы: 2018-05-10; просмотров: 237. stydopedya.ru не претендует на авторское право материалов, которые вылажены, но предоставляет бесплатный доступ к ним. В случае нарушения авторского права или персональных данных напишите сюда... |