загрузка...
 
Раздел 6. ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. 6.1 Общие понятия химической термодинамики
Повернутись до змісту

Раздел 6. ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. 6.1 Общие понятия химической термодинамики

Каждую секунду происходит такое множество химических реакций, которое невозможно подсчитать – в природе и в живых организмах, на производстве и в быту. Очень важно знать о том, при каких условиях, в каком направлении (прямом или обратном) и как (до конца или только частично) может протекать та или иная реакция, каковы ее энергетические последствия. На этот вопрос отвечает химическая термодинамика.

Химическая термодинамика – это наука, которая изучает энергетические эффекты химических процессов, а также направление и границы их самопроизвольного протекания.

Энергетические эффекты химических реакций могут быть тепловыми, фотоэлектрическими, радиохимическими, электрическими и т. д.

Cамопроизвольным называется такая реакция, которая не требует расхода энергии и выполнения работы.

Химическая термодинамика изучает термодинамический процесс и термодинамическую систему.

Термодинамический процесс – это любое изменение, при котором система переходит из одного состояния в другое.

Термодинамическая система – это совокупность взаимодействующих веществ, которые отделены от окружающей среды фактической или воображаемой (условной) поверхностью раздела.

Фаза – это однородная часть системы, которая отделена от других частей системы поверхностью раздела; при переходе через поверхность раздела свойства изменяются скачкообразно.

Термодинамические системы (или просто системы) принято классифицировать по разным признакам.

1. По характеру взаимодействия с окружающей средой системы бывают:

изолированные, которые не обмениваются энергией (теплом) и массой (веществом) с окружающей средой. Абсолютно закрытых систем в земных условиях не существует, но в грубом приближении в качестве изолированной системы можно привести обычный термос (рис. 6.1), если наблюдение ведется в течение очень короткого промежутка времени;

закрытые, которые обмениваются с окружающей средой лишь энергией (рис. 6.2);

открытые, или незамкнутые, которые обмениваются с окружающей средой и веществом, и энергией (рис. 6.3).

 

Рисунок 6.1 – Примеры изолировванных систем

Рисунок 6.2 – Примеры закрытых систем

Рисунок 6.3 – Примеры открытых систем

2. По фазовому составу различают такие системы:

гомогенные, состоят из одной фазы (рис. 6.4);

гетерогенные, состоят из нескольких фаз, которые отделены друг от друга поверхностью раздела, например, лед и жидкая вода, жидкость и ее пар, две несмешивающиеся жидкости: вода и керосин и т. п. (рис. 6.5). Фазовое состояние нельзя путать с агрегатным. Эти понятия совпадают только для газов, которые смешиваются полностью. В случае жидкого агрегатного состояния система может быть гомогенной (например, смесь водных растворов двух кислот находится в одной фазе) или геторогенной (например, вода и керосин – две фазы). То же самое касается и твердого агрегатного состояния. Например, если максимально плотно прижать друг к другу графит и алмаз – две аллотропные модификации углерода, они не станут одной фазой, поскольку имеют разные кристаллические структуры (и следовательно, отличаются по свойствам) и имеют поверхность раздела.

Рисунок 6.4 – Примеры гомогенных систем:

а) смесь газов; б) водные растворы индивидуальных солей

Рисунок 6.5 – Примеры гетерогенных систем:

а) жидкость-газ; б) жидкость-жидкость

Состояние системы описывается с помощью специальных термодинамических функций: внутренней энергии U, энтропии S, энтальпии H, энергии Гиббса G и др. В результате термодинамического процесса происходит изменение термодинамических функций, которое обозначается греческой буквой D (дельта). Например: изменение внутренней энергии DU = U2 – U1, где индексами 1 и 2 обозначены начальное и конечное состояния системы соответственно. Термодинамические функции имеют важную особенность:

изменение термодинамических функций (D) не зависит от пути перехода системы из начального состояния в конечное, а зависит только от характера этих состояний.

Рассмотрим простейший пример: таяние куска льда, при котором Н2О переходит из твердого агрегатного состояния в жидкое и изменяет свою внутренню энергию U. Величина этого изменения (DU) не зависит от того, каким способом произошло таяние (кусок льда могли просто оставить на воздухе в теплом помещении, опустить в кипящую воду, подержать в ладонях и т. д.). Изменение внутренней энергии DU зависит только от характера начального и конечного состояний (твердый лед и жидкая вода).

Контрольные вопросы

Что изучает химическая термодинамика?

Что называется термодинамической системой и термодинамическим процессом?

Какие процессы называются самопроизвольными?

Что называется фазой?

На какие типы подразделяются термодинамические системы: а) по своей природе; б) по фазовому состоянию?

С помощью каких функций описывается состояние системы? Что является главной отличительной особенностью этих функций?

Задания для самостоятельной работы

Каким термином обозначается совокупность веществ, условно или фактически отделенная от окружающей среды границей раздела:

            а) фаза; б) система; в) ассоциат; г) реакционная среда?

Как называется термодинамическая система, которая состоит только из одной фазы:

            а) гетерогенная; б) изолированная; в) гомогенная; г) закрытая?

Как называется термодинамическая система, которая обменивается с окружающей средой только энергией:

            а) открытая; б) изолированная; в) равновесная; г) закрытая?

Какая термодинамическая система состоит из двух или более фаз:

            а) гетерогенная; б) неравновесная; в) гомогенная; г) закрытая?

Как называются процессы, протекающие без затраты энергии извне и без выполнения работы над системой:

            а) эндотермические; б) самопроизвольные;

            в) экзотермические; г) адиабатические?

Укажите термодинамические функции:

            а) внутренняя энергия; б) теплота; в) работа; г) энергия Гиббса.

Какая система может обмениваться массой с окружающей средой:

            а) изолированная; б) открытая; в) закрытая; г) равновесная?

Вставьте пропущенное слово в определение: «Фаза – это гомогенная часть системы с одинаковыми свойствами во всех точках объема, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются ...»:

            а) постепенно; б) плавно; в) монотонно; г) скачкообразно.

Основным признаком термодинамических функций считается:

            а) постепенное увеличение их значений при повышении температуры; б) их изменения не зависят от пути перехода системы из начального в конечное состояние; в) их значения зависят от агрегатного состояния вещества; г) их рассчитывают при Т = const.

Выберите обозначения, показывающие изменение термодинамических функцій:

            а) DQ; б) DН; в) DV; г) DU.



загрузка...