Химическая термодинамика

Основные понятия
Химическая термодинамика рассматривает энергетические аспекты различных процессов и определяет условия их самопроизвольного протекания.

Системой называют отдельное тело или группу тел, фактически или мысленно отделенных от окружающей среды.
Окружающая среда – это все, что находится в прямом или косвенном контакте с системой.

по однородности: гомогенные и гетерогенные;
в зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой различают системы:
по состоянию: равновесные, стационарные и переходные.
Классификация систем

Т/д равновесное состояние характеризуется постоянством всех свойств во времени и отсутствием потока вещества и энергии в системе.
Стационарное состояние характеризуется постоянством свойств во времени и непрерывным обменом веществом и энергией между системой и окружающей средой.
Переходное состояние характеризуется изменением свойств системы во времени.

Совокупность всех физических и химических свойств системы называют состоянием системы.
Его характеризуют термодинамическими параметрами, которые бывают:
Интенсивными – параметры, которые не зависят от массы (температура, давление, плотность, концентрация).
Параметры, зависящие от массы, называют экстенсивными (объём, масса, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, термодинамические потенциалы).

Термодинамические процессы
Если в системе в течение некоторого времени изменяется хотя бы один из термодинамических параметров, то это означает протекание термодинамического процесса:
Изотермический (t = соnst)
Изохорический (V = соnst)
Изобарический (р = соnst)

Внутренняя энергия
Внутренняя энергия (U) характеризует общий запас энергии системы. Она включает все виды энергии движения и взаимодействия частиц, составляющих систему.
Измерить U нельзя, поскольку невозможно лишить материю движения. Можно оценить лишь изменение внутренней энергии (ΔU): ΔU=Uкон-Uнач
Внутренняя энергия – функция состояния, т.е. не зависит от пути процесса, а только от начального и конечного состояния.
Экстенсивная величина [Дж/моль].

Теплота и работа
Теплота (Q) - неупорядоченный (хаотический) вид передачи энергии.
Работа (W) - упорядоченный (организованный) вид передачи энергии.
Экстенсивные параметры [Дж/моль].
Работа и теплота связаны с процессом и являются функциями процесса, зависят от пути процесса.

Первое начало термодинамики

Формулировки
1.Энергия не исчезает бесследно и не возникает из ничего, переход ее из одного вида в другой происходит в строго эквивалентных количествах.
2.Энергия изолированной системы постоянна.
3. Вечный двигатель I рода невозможен, под которым подразумевается машина, производящая работу без затраты энергии.

Математический вид:
Q=ΔU + W= ΔU + pΔV,
Количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение внутренней энергии и на совершение работы.

Первый закон термодинамики в применении к некоторым процессам
1. Изотермические процессы. Т = const.
Q=ΔU + W
Т.к. U = const, то ΔU = 0. Тогда: QT = W.
2. Изохорные процессы. V = const.
Q=ΔU + pΔV
Т.к. V = const, то ΔV = 0. Тогда QV = ΔU.
3. Изобарные процессы. р = const.
QР = ΔU + рΔV = ΔН.

Закон Гесса

Следствия из закона Гесса.
1. ΔНr 298 =∑νiΔ H0f 298(прод) -∑ νiΔH0f 298(исх)
Стандартной энтальпией образования соединения называют изменение энтальпии (или тепловой эффект) в процессе образования одного моля данного вещества из простых веществ в стандартных условиях.
Стандартные энтальпии образования простых веществ в устойчивом агрегатном состоянии равны нулю.

2. ΔНr 298 =∑νiΔ H0f 298(исх) -∑νi ΔH0f 298(прод)
Стандартной энтальпией сгорания называют изменение энтальпии в процессе полного сгорания в атмосфере кислорода одного моля вещества до высших оксидов в стандартных условиях при выбранной температуре.
Стандартные энтальпии сгорания высших оксидов в устойчивых состояниях равны нулю.

Второе начало термодинамики

I закон термодинамики дает данные лишь о тепловыделении и говорит о превращении одной формы энергии в другую.
Второй закон термодинамики дает возможность определить направление самопроизвольного процесса и пределы его протекания.
В термодинамическом смысле, самопроизвольный – это такой процесс, который совершается без внешних воздействий на систему.

Новая функция состояния:
энтропия (S, Дж/моль·К) – мера беспорядка системы. Является критерием направленности процессов в изолированной системе: самопроизвольные процессы происходят в направлении увеличения энтропии системы: dS > 0 .
Формулировки второго закона термодинамики:
Теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему (Клаузиус).
Осуществление вечного двигателя II рода невозможно. Под вечным двигателем второго рода подразумевают тепловую машину, превращающую всю теплоту в работу, т.е. без передачи части ее холодильнику (В.Оствальд).