Термодинамический подход к химическим реакциям

Изучив материал, изложенный в главе 10, обучающийся должен:

знать

• • основные понятия и определения химической термодинамики: тепловой эффект реакции, энтальпия, энтропия, энергия Гиббса;
• • первое начало термодинамики и закон Гесса; второе и третье начала термодинамики;

уметь

• • пользоваться таблицами стандартных термодинамических характеристик химических веществ;
• • определять на их основе направление химического процесса;

владеть

• приемами вычисления термодинамических характеристик химических реакций при заданных условиях.

Основные понятия и определения химической термодинамики

Термодинамика возникла как теория тепловых (паровых) машин, т. е. таких машин, в которых теплота превращается в работу.

• Термодинамика — наука о превращениях одних видов энергии и работы в другие.

В своем развитии термодинамика пришла к некоторым основным обобщениям, которые получили название начал термодинамики. Этих начал всего три. Все остальное содержание термодинамики есть следствия из них. Именно поэтому термодинамику как науку отличают логичность и последовательность суждений; взаимная согласованность количественных результатов и высокая степень формализма. Законы термодинамики выведены для абстрактных систем и столь общи, что они широко используются в самых различных областях естествознания — физике, химии, геологии, биологии, астрономии, математике.

• Часть термодинамики, которая рассматривает превращения энергии и работы при химических реакциях, называется химической термодинамикой.

Термодинамический подход к химическим превращениям заключается в том, что рассматривается изменение некоторых свойств химической системы в результате ее перехода из одного состояния в другое. Количественной мерой изменения свойств в термодинамике служит изменение функций состояния.

• Функцией состояния называется такая переменная характеристика системы, которая не зависит от предыстории системы и изменение которой при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от того, каким образом был произведен этот переход, а зависит только от состояния системы.

Чтобы можно было пользоваться функциями состояния, необходимо точно обозначить сами состояния. Для этого служат переменные, называемые параметрами состояния. Некоторые функции и параметры состояния приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Функции и параметры состояния.

Кроме того, в термодинамике используются еще две функции, которым собственно и посвящена термодинамика, но которые не являются функциями состояния, — это работа А и теплота Q.

Любая система, переход которой из одного состояния в другое рассматривает термодинамика, отделена от внешней среды границей — реальной или воображаемой. Если эта граница жесткая, то объем системы постоянен.

• Процессы, протекающие при постоянном объеме, называются изохорическими (или изохорными).

К их числу относится, например, приготовление жаркого в кастрюлескороварке с герметически закрывающейся крышкой.

Граница системы может быть и подвижной. Тогда система находится под действием внешних сил, в частности под атмосферным давлением.

• Процессы, протекающие при постоянном давлении, называются изобарическими (или изобарными).

Например, таким процессом является варка варенья.

Система, находящаяся иод атмосферным давлением и увеличивающая свой объем, совершает работу против сил внешнего давления. Работа может быть полезной: вода, превращаясь в пар, двигает поршень, или бесполезной — заполняя оболочку воздушного шарика, газ вытесняет воздух из того объема, который теперь занимает шарик. Важно отметить, что такая же работа совершается и в том случае, если образовавшийся газ просто уходит в атмосферу. Это означает, что в любом изобарном процессе совершается работа, равная произведению внешнего давления на изменение объема: А = Р_внешн? АV. Чем больше AV, тем больше работа. В химических реакциях АР в основном определяется изменением числа молей газообразных участников, поскольку изменения объемов при твердофазных реакциях или реакциях в жидких растворах малы.

Рис. 10.1. Обмен теплотой и работой В общем случае, во время химической реакции между системой и средой происходит обмен теплотой Q и работой А в направлениях, показанных на рис. 10.1.

Работа, совершаемая системой над внешней средой, считается положительной, а совершаемая над системой — отрицательной.

Теплота определяется числом джоулей (или килоджоулей), полученных или отданных системой.

Теплота, полученная системой, считается положительной, а отданная системой во внешнюю среду — отрицательной.

• Процессы, протекающие в системе в условиях, когда отсутствует обмен теплотой между системой и внешней средой, называются адиабатическими.

Однако гораздо чаще выбирают такие условия, при которых обмен теплотой совершается, но температура в системе поддерживается постоянной.

• Процессы, протекающие в системе при постоянной температуре, называются изотермическими.