Основы химической термодинамики. Основные понятия химической термодинамики. Лекция 1

ЦЕЛИ ЛЕКЦИИ
ОБУЧАЮЩАЯ: сформировать знания об основах химической термодинамики, первом законе термодинамики и законе Гесса.
РАЗВИВАЮЩАЯ: расширить кругозор обучающихся на основе интеграции знаний, развить логическое мышление.
ВОСПИТАТЕЛЬНАЯ: содействовать формированию у обучающихся устойчивого интереса к изучению дисциплины.

Термодинамика - это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы.
Основные понятия химической термодинамики

Основные понятия и термины
Термодинамическая система (ТД система) - это любой объект природы, состоящий из достаточно большого числа структурных единиц, в частности молекул, отделенных от других объектов природы реальной или воображаемой границей раздела.

Основные понятия химической термодинамики
Часть объектов природы, не входящих в систему, называется средой.
Важными характеристиками системы являются масса вещества (m) и энергия (Е или U).

Если система обменивается с окружающей средой энергией и массой, то она называется открытой.
Когда система обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается массой, ее называют закрытой.
Система которая не обменивается с окружающей средой массой и энергией в форме теплоты и работы называется изолированной.

Открытая
система
(живой организм)
Закрытая
система
(запаянная ампула с лекарством)
Изолированная система
(термос)
Классификация систем по характеру
взаимодействия с окружающей средой
↔ энергия ↔ энергия масса

Основные понятия химической термодинамики
Фаза - это часть системы с одинаковыми физическими и химическими свойствами, отделенная от других частей границей раздела, при переходе через которую свойства резко меняются.

Основные понятия химической термодинамики
В зависимости от фазового состояния различают:
1. Гомогенные системы. Это системы, в которых все компоненты находятся в одной фазе, и в них отсутствуют границы раздела. Пример: растворы глюкозы, солей, кислот.
2. Гетерогенные системы. Они состоят из нескольких фаз, отделенных границей раздела. Пример: эритроциты - плазма крови, живой организм.

Основные понятия химической термодинамики

Основные понятия химической термодинамики
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 · дм-3

Основные понятия химической термодинамики
В зависимости от того, какой из параметров состояния при протекании термодинамического процесса остается постоянным, различают следующие термодинамические процессы:
изотермический (Т = const),
изобарный (р = const),
изохорный (V = const),
адиабатический (Q= const).

Функции состояния системы
В термодинамике для определения изменения энергии системы пользуются различными энергетическими характеристиками, которые называются термодинамическими функциями состояния системы.

К термодинамическим функциям системы относятся:
1. Внутренняя энергия (U).
2. Энтальпия (Н). 3. Энтропия (S).
4. Энергия Гельмгольца (F).
5. Энергия Гиббса (свободная энергия) (G).
6. Химический потенциал (μ).

1. Внутренняя энергия (U)
Внутренняя энергия системы складывается из кинетической энергии движения молекул или атомов, образующих систему, потенциальной энергии их взаимодействия и внутримолекулярной энергии.

Внутренняя энергия (U):
Абсолютное значение внутренней энергии измерить
невозможно, поэтому измеряют ее приращение:
ΔUсистемы = Uкон - Uнач
Бесконечно малое изменение U является полным дифференциалом dU.

ΔU=Q V , где Q V - теплота изохорного процесса.
ΔU - кДж/моль или кДж· моль-1
Внутренняя энергия есть функция состояния системы, приращение которой (ΔU) равно теплоте, поступающей в систему при изохорном процессе (ΔV=const).

Единицы измерения энергии:
Джоуль = Дж
Так как Дж очень маленькая величина,
обычно используют кДж.
калория = кал 1 кал = 4.184 Дж
1 кал
4.184 Дж
Коэффициент пересчета!

Первый закон термодинамики
Первый закон термодинамики является постулатом: он не может быть доказан логическим путем, а вытекает из суммы человеческого опыта.
Большая роль в обобщении эмпирического опыта при открытии закона принадлежит Г.К. Гессу, Р. Майеру, Джоулю, Гельмгольцу.

Теплота и работа: приращение внутренней работы
± Q = ΔU ± W
Работа, совершаемая системой (+)
или (-) над системой.
Теплота получаемая (+)
или отданная (-) системой.
Внутренняя энергия система

Теплота (Q) - форма передачи энергии, посредством хаотического столкновения частиц соприкасающихся систем, системы и среды.
Q = С·ΔT [Дж], где
С - молярная теплоемкость [Дж моль/К].

Первый закон термодинамики
Работа (W) - форма передачи энергии от системы в окружающую среду или другой системе, посредством упорядоченного взаимодействия частиц, вызванная преодолением сопротивления.
Простейшей работой является работа расширения идеального газа в цилиндре с поршнем (открытая система): W = р ΔV.

Теплота расширения в изобарном процессе:
W= p·ΔV, где
ΔV - изменение объема системы, ΔV=V2-V1
Энтальпия (от греч. entalpio - нагреваю) - это часть внутренней энергии системы, которая может совершить полезную работу.
2.Энтальпия (Н)

Энтальпия (H):
Абсолютное значение энтальпии измерить
невозможно, поэтому измеряют ее приращение: ΔHсистемы = Hкон - Hнач
ΔН = Ср ΔТ

Энтропия (S) характеризует связанную энергию. В реальных необратимых системах только часть энергии превращается в работу, другая часть энергии является как бы связанной. Мера неупорядоченности системы.
Энтропия (S)

Функции состояния системы
При протекании изобарно-изотермических процессов:
5. Свободная энергия Гиббса (G)
Энергия Гиббса (G) - это часть потенциальной энергии реагирующих веществ, которая может быть использована для осуществления полезной работы.
ΔG = ΔH - TΔS