Предыдущая статья:
Первая статья:
Термодинамика, это, конечно, из физики:
Но зачастую грань между физикой и химией весьма условна. Например, строение атомов и молекул. Тут мы уже говорим о формах атомных орбиталей и квантовых числах, тем самым уже вторгаемся на территорию физики. Термодинамика это из той же области: многие химические реакции идут с выведением или поглощением тепловой энергии.
Прежде всего, я познакомлю вас с основными понятиями химической (и не только) термодинамики. Начнем с термодинамической системы. По-научному определение звучит так: «Термодинамическая система – это совокупность физических тел, способных обмениваться друг с другом энергией и веществом и по-разному взаимодействовать с окружающей средой».
Под системой обычно понимается совокупность взаимосвязанных элементов, которые каким-то образом влияют друг на друга. В случае термодинамической системы под элементами понимаются такие элементы, которые обмениваются тепловой энергией. При этом возможен обмен тепловой энергией и с внешней средой.
Рассмотрим пример такой системы:
В эластичном резиновом баллончике, абсолютно герметичном, находится насыщенный раствор соли и пар над раствором. Сообщаем данной системе тепловую энергию (нагреваем ее). Что при этом происходит? Во-первых, температура с T1 повышается до T2. Это повышение температуры вызовет изменение внутренней энергии системы (повышение). Причем, не важно, каким путем изменилась температура от T1 до T2. Сразу или, постепенно, или она сначала повысилась то T3, а потом снизилась до T2.
Внутренняя энергия – это суммарная энергия системы, включая энергию теплового движения молекул, а также энергию взаимодействия всех входящих в систему частиц: как самих молекул, так и атомов, ядер, электронов и прочих частиц. Надо заметить, что абсолютное значение этой внутренней энергии узнать невозможно. Почему? Ну а как вы посчитаете кинетическую и потенциальную энергию взаимодействия каждой частицы в системе? Никак, это невозможно. Но вот изменение этой внутренней энергии мы узнать можем.
Изменение внутренней энергии обозначается знаком «дельта» U и является разницей между новым и старым значением внутренней энергии:
Важно обратить внимание, что при нагревании данной системы меняется не только температура. Меняется растворимость соли в данной жидкости, а значит, и сама ее концентрация. Кроме того, увеличивается количество пара, за счет чего баллончик расширяется. При этом происходит работа расширения:
Кроме того, для того, чтобы растянуть стенки сосуда, необходимо совершить некоторую работу W. И на все это будет израсходована сообщаемая сосуду тепловая энергия:
где E – это работа по перераспределению веществ внутри системы. Например, затраты энергии на парообразование той части жидкости, которая испарилась.
Выше я говорил, что внутренняя энергия не зависит от того, каким путем мы пришли к этому состоянию. А вот что касается подведенной тепловой энергии и совершенной работы, она зависит от пути изменения состояния. Это можно сравнить с поездкой и Москвы в Петербург. Линейное расстояние между ними всегда будет одинаково, а вот длина самого пути (и затраты на путешествие будут разные).
Кроме энергии, в термодинамике существуют так же «хитрые» величины, которые вычисляются от вышеперечисленных энергетических переменных. Например, энтальпия. По своей сути это тоже энергия. Энтальпией называют внутреннюю теплоту системы, и вычисляется она вот по такой формуле:
Произведение давления на объем – это, тоже, по сути, энергия. Поэтому размерность энтальпии – это размерность энергии, и измеряется она в джоулях на моль.
В чем же смысл этой величины? Для того, чтобы это понять, нужно рассмотреть несколько типовых процессов термодинамических системы.
Один из таких процессов: изобарный (при постоянном давлении). В этом случае изменение энтальпии равно сумме изменения внутренней энергии и работе по изменению объема:
Если при этом не совершается какая-либо иная работа, кроме работы расширения, то подведенная к системе теплота и будет тем изменением энтальпии:
Процесс, протекающий при постоянном объеме (изохорный). При таком процессе, если отсутствуют другие виды работ, теплота равна изменению внутренней энергии:
Данные формулы позволяют оценить изменение энтальпии и внутренней энергии при исследовании тепловых эффектов реакций. Данные величины, главным образом, отличаются при протекании процессов, при которых изменяться количества газообразных веществ. Рассмотрим, например, реакцию образования аммиака:
При такой реакции «дельта H» меньше «дельта U» на величину P*«дельта V».
Рассчитать реакцию можно через уравнения Клапейрона-Менделеева:
где «дельта n» – изменение количество молей газообразного вещества при реакции.
Стоит заметить, что если в реакции участвуют только жидкие и твердые компоненты, и в результате получаются такие же, то изменение объема, как правило, незначительные, и ими можно пренебречь.
Но сейчас мы рассмотрим реакцию с газами. А именно водород и азот (образование аммиака).
И так, задача: В результате образования 2 молей аммиака при реакции соединения водорода и азота, при температуре 298K (+25 градусов Цельсия) изменение энтальпии составило -92.28 кДж (она уменьшилась). Нужно найти изменение внутренней энергии.
По формуле Клапейрона-Менделеева рассчитываем P*«дельта V»:
Учитывая, что
получим:
Итак, подытожим. Мы изучили, что такое химическая термодинамика, и разобрали пример решения задачи по химической термодинамике. В будущих уроках будем рассматривать конкретные законы химической термодинамики, в частности, тепловые эффекты различных химических реакций и термохимические уравнения.