рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Общие понятия термодинамики

Общие понятия термодинамики - раздел Химия, По дисциплине Химия. Курс лекций   Термодинамика – Наука, Изучающая ...

 

Термодинамика – наука, изучающая превращения различных форм энергии друг в друга и устанавливающая законы этих превращений. Как самостоятельная дисциплина, термодинамика возникла в середине XIX в. на основе изучения работы паровых машин. В настоящее время термодинамика рассматривает большое количество физических и химических явлений, сопровождаю­щихся энергетическими эффектами: работу холодильных машин, процессы в компрессорах, двигателях внутреннего сгорания, процессы при электролизе, работе гальванических элементов, при проведении различных химических реакций. Широко применяемые в настоящее время исследования методами термодинамики позволяют не только рассчитывать энергетические балансы, но также определять, в каком направлении и до какого предела могут протекать процессы при заданных условиях.

Термодинамика рассматривает лишь тела, состоящие из большого числа молекул, так называемые макроскопические системы, при этом не принимаются во внимание поведение и свойства отдельных молекул.

Термодинамический метод исследования базируется на опытных данных, оперирует макроскопическими понятиями и представлениями и не рассматривает молекулярное строение вещества. В этом заключает­ся некоторая односторонность термодинамического подхода к изучению процессов и явлений, так как физическое содержание их нередко остается нераскрытым.

Термодинамика базируется на четырех основных законах, именуемых нулевым, первым, вторым и третьим законами (началами) термодинамики. Эти законы являются результатом обобщения человеческого опыта, практики. Данные, получаемые методами термодинамического исследования, являются исключительно достоверными, поскольку они опираются на основные законы природы о сохранении и преобразовании энергии. Термодинамика включает в себя:

1) общую (или физическую) термодинамику, изучающую наиболее общие законы превращения энергии;

2) техническую термодинамику, рассматривающую взаимопревращения теплоты и механической работы, происходящие в тепловых машинах;

3) химическую термодинамику, изучающую превращения различных видов энергии при химических реакциях, процессах растворения, испарения, кристаллизации, адсорбции и др.

Химическая термодинамика использует положения и выводы общей термодинамики. Для успешного изучения вопросов, относящихся к термодинамике, необходимо уточнить некоторые понятия, термины и величины.

Система – тело или группа тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от окружающей среды.

Окружающая среда – все, что находится за пределами термодинамической системы.

Гомогенная (однородная) системане имеет внутри поверхностей раздела, отделяющих отдельные ее части (фазы), различающиеся по физико-химическим свойствам.

Гетерогенная (неоднородная)–система, внутри которой такие поверхности раздела имеются.

Изолированная система– это система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией и имеет постоянный объем.

Открытая система– это система, которая обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией.

Закрытая система– это система, которая не обменивается с окружающей средой веществом, но обменивается энергией.

Состояние системы–это совокупность всех физических и химических свойств системы.

Процесс–переход системы из одного состояния в другое. При этом происходит изменение всех термодинамических функций состояния. Процесс, при котором термодинамическая система, выйдя из некоторого начального состояния и претерпев ряд изменений, возвращается тем или иным путем в исходное состояние, называется круговым процессом или циклом. В таком процессе, очевидно, изменение функции состояния равно нулю. В зависимости от условий процессы можно разделить на изотермические (Т = const), изобарические (P = const), изохорические (V = const) и адиабатические (адиабатные, Q = const).

Состояние системыописывают термодинамические функции. Их делят на две группы: функции состояния и функции процесса.

Термодинамические функции, значение которых зависит только от состояния системы, называютсяфункциями состояния. Их изменение в том или ином процессе зависит только от начального и конечного состояний системы и не зависит от пути перехода. К таким функциям относятся: внутренняя энергия (U), энтальпия (Н), энтропия (S), энергия Гиббса (G), энергия Гельмгольца (F). Истинное значение этих функций определить невозможно, а определяют только изменение их (DU, DН, DS, DG, D F) в ходе процесса.

Функции процессовзависят не только от начального и конечного состояний системы, но и от того, как, каким путем происходит переход от одного состояния к другому. К функциям процесса относят теплоту (Q) и работу (А).

Теплота (Q) – это внешнее проявление энергообмена частиц в результате хаотичных столкновений между ними. Горячие частицы сталкиваются с холодными и отдают им часть энергии. Это происходит до тех пор, пока полностью не выравнивается энергия между частицами. Ее выражают в Дж/моль или Дж/кг. В термодинамике теплоту, поглощаемую системой, пишут со знаком плюс, а выделяемую – со знаком минус (в термохимии принята противоположная система знаков).

Работа (А) – это перенос энергии движущейся материей. Формы ее различны: механическая работа, электрическая и т.д. Работу выражают в Дж и считают положительной, если она совершается системой над окружающей средой или над другой системой, и отрицательной, если внешние силы совершают работу над системой.

Понятие теплоты и работы справедливо только для тел, состоящих из множества молекул. Для одной молекулы, либо для совокупности немногих молекул понятия теплоты и работы теряют смысл.

 

4.2. Первый закон (начало) термодинамики. Внутренняя энергия системы. Энтальпия системы

 

Первый закон (начало) термодинамики является количественной формулировкой закона сохранения энергии в применении к процессам, связанным с превращениями теплоты и работы. Закон сохранения энергии в самом общем виде был сформулирован М. В. Ломоносовым (1748). Свое дальнейшее развитие данный закон получил в XIX столетии в работах Р. Майера, Г. Гельмгольца, Д. Джоуля. Закон сохранения энергии утверждает: во вcex явлениях природы энергия не исчезает бесследно и не возникaeт из ничего; она может только превращаться из одной формы в другую в строго эквивалентных соотношениях.

Первый закон имеет несколько равноценных формулировок, но все они выражают и ту же суть: неуничтожимость и эквивалентность энергии при взаимных переходах различных ее видов друг в друга.

Одна из формулировок: вечный двигатель первого рода невозможен, т. е. невозможно создать такую машину, которая производила бы работу без подведения энергии извне.

Другая формулировка: в изолированной системе сумма всех видов энергии есть величина постоянная.

Третья формулировка:в любом процессе приращение внутренней энергии какой-либо сис­темы (∆U = U2 – U1 ) равно количеству сообщенной системе теплоты Q минус количество работы А, совершаемой системой.

Аналитическое выражение имеет вид

∆U = Q – A или Q = ∆U + A. (4.1)

Для процессов, связанных с бесконечно малыми изменениями величин, уравнение принимает вид ΔQ = dU+δA, где величины δQ и δА не являются дифференциалами функций состояния, а представляют собой просто бесконечно малые величины, называемые элементарной теплотой и элементарной работой; dU – полный дифференциал внутренней энергии, являющейся функцией состояния. Таким образом, дифференциал внутренней энергии имеет иные математические свойства, чем элементарные теплота δQ и работа δА.

Внутренняя энергия (U)– это энергия, которая в скрытом виде заключена в каждом теле и зависит от его внутреннего состояния. Это та энергия, которая в общем случае представляет собой полный запас энергии тела. Эту энергию можно представить в виде суммы отдельных составляющих: 1) энергии поступательного движения молекул; 2) энергии вращательных движений молекул; 3) энергии внутримолекулярных колебаний атомов; 4) энергии взаимодействия электронов с ядром; 5) внутриядерной энергии; 6) энергии взаимодействия молекул (потенциальной энергии) и т.д.

Так как при химическом процессе выделяется теплота, то очевидно, U1 > U2. Разность между запасом внутренней энергии в начальном и конечном состояниях ∆U = U1 – U2 преобразуется в форму теплоты Q. Тепловой эффект реакции можно измерить опытным путем, тем самым определится и изменение запаса внутренней энергии системы ∆U, но абсолютный запас внутренней энергии ее до процесса (U1) и после протекания химической реакции (U2) определить невозможно. Если некоторой системе сообщить определенное количество теплоты Q, то в частном случае, когда объем системы не изменяется (V – const), подведенная теплота будет израсходована только на увеличение внутренней энергии: QV = ∆U, или QV = U1 – U2.

Наряду с внутренней энергией в термодинамике часто используют термодинамическую функцию состояния – энтальпию системы. Энтальпия системы (Н) – это тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении (Qр = ∆Н). Как для любой функции состояния, для энтальпии системы нельзя определить абсолютное значение, а можно определить только изменение в ходе процесса (∆Н = Н1 – Н2). Для стандартных условий (р = 101325 Па, Т = 298 К) ∆U0 и ∆Н0 любого вещества – справочные величины. Для реакции общего вида

аA + вB = сC + dD + ∆Н0реакции

изменение энтальпии реакции при стандартных условиях равно:

∆Н0реакции = (с∆Н0C + d∆Н0D) - (а∆Н0А + в∆Н0B). (4.2)

Первый закон термодинамики, утверждая неуничтожимость энергии, обосновывает и неуничтожимость материи, поскольку энергия и материя связаны неразрывно друг с другом. Во всех процессах прев­ращения материи неразрывно связаны с превращениями энергии.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

По дисциплине Химия. Курс лекций

Факультет заочного обучения.. Е В Семенова..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Общие понятия термодинамики

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Воронеж 2011
  Лекция № 1 (2ч)   Введение   Вопросы: 1. Предмет химии. Значение химии в изучении природы и развитии техники. 2. Осно

Основные количественные законы химии
  К основным количественным законам химии относятся:закон постоянства состава, закон кратных отношений и закон эквивалентов. Эти законы были открыты в конце XIII – начале XIX веков, и

Современная модель строения атома
В основе современной теории строения атома лежат работы Дж. Томсона (который в 1897 г. открыл электрон, а в 1904 г. предложил модель строения атома, согласно которой атом – это заряженная сфера с в

Орбитальное квантовое число 0 1 2 3 4
Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы, например s-орбиталь имеет сферическую форму, р-орбиталь – гантель. В одной и той же оболочке энергия подуровней возрастает в ряду E

Строение многоэлектронных атомов
  Подобно любой системе, атомы стремятся к минимуму энергии. Это достигается при определенном состоянии электронов, т.e. при определенном распределении электронов по орбиталям. Запись

Периодические свойства элементов
Так как электронное строение элементов изменяется периодически, то, соответственно, периодически изменяются и свойства элементов, определяемые их электронным строением, такие как энергия ионизации,

Периодическая система элементов Д.И.Менделеева
В 1869 г. Д. И. Менделеев сообщил об открытии периодического закона, современная формулировка которого следующая: свойство элементов, а также формы и свойства их соединений

Общая характеристика химической связи
Учение о строении вещества объясняет причины многообразия структуры веществ в различных агрегатных состояниях. Современные физические и физико-химические методы позволяют экспериментально определят

Типы химической связи
К основным типам химической связи относят ковалентную (полярную и неполярную), ионную и металлическую связи. Ковалентной связью называют химическую связь, образованную

Типы межмолекулярных взаимодействий
Связи, при образовании которых перестройка электронных оболочек не происходит, называются взаимодействием между молекулами. К основным видам взаимодействия молекул следует о

Пространственная структура молекул
  Пространственная структура молекул зависит от пространственной направленности перекрывания электронных облаков числом атомов в молекуле и числом электронных пар связей за счет непод

Общая характеристика агрегатного состояния вещества
Почти все известные вещества в зависимости от условий находятся в газообразном, жидком, твердом или плазменном состоянии. Это и называется агрегатным состоянием вещества. Аг

Газообразное состояние вещества. Законы идеальных газов. Реальные газы
Газы распространены в природе и находят широкое применение в технике. Их используют в качестве топлива, теплоносителей, сырья для химической промышленности, рабочего тела для выполнения механическо

Характеристика жидкого состояния вещества
Жидкости по своим свойствам занимают промежуточное положение между газообразными и твердыми телами. Вблизи точки кипения они проявляют сходство с газами: текучи, не имеют определенной формы, аморфн

Характеристики некоторых веществ
    Вещество     Вид кристалла   Энергия кристаллической решетки, кДж/моль   Темпер

Термохимия. Тепловые эффекты химических реакций
  Любые химические процессы, а также ряд физических превращений веществ (испарение, конденсация, плавление, полиморфные превращения и др.) всегда сопровождаются изменением запаса внут

Закон Гесса и следствия из него
  На основе многочисленных экспериментальных исследований русским академиком Г. И. Гессом был открыт основной закон термохимии (1840 г.) – закон постоянства сумм теплот реа

Принцип работы тепловой машины. КПД системы
Тепловой машинойназывается такое устройство, которое преобразует теплоту в работу. Первая тепловая машина была изобретена в конце XVIII века (паровая). Сейчас существуют дви

Свободная и связанная энергии. Энтропия системы
  Известно, что любая форма энергии может полностью преобразовываться в теплоту, но теплота преобразуется в другие виды энергии лишь частично, условно запас внутренней энергии системы

Влияние температуры на направление химических реакций
  DH DS DG Направление реакции DH < 0 DS > 0 DG < 0

Понятие о химической кинетике
  Химической кинетикой называется учение о скорости химических реакций и ее зависимости от различных факторов – природы и концентрации реагирующих веществ, давления,

Факторы, влияющие на скорость химических реакций. Закон действующих масс
  На скорость химических реакций оказывают влияние следующие факторы: природа и концентрации реагирующих веществ; температура, природа растворителя, присутствие катализатора и т.д.

Теория активизации молекул. Уравнение Аррениуса
  Скорость любой химической реакции зависит от числа столкновений реагирующих молекул, так как число столкновения пропорционально концентрациям реагирующих веществ. Однако не все стол

Особенности каталитических реакций. Теории катализа
  Скорость химической реакции можно регулировать с помощью катализатора. Вещества, которые участвуют в реакциях и изменяют (чаще всего увеличивают) ее скорость, оставаясь к концу реак

Обратимые и не обратимые реакции. Признаки химического равновесия
Все реакции можно поделить на две группы: обратимые и необратимые. Необратимые реакции сопровождаются выпадением осадка, образованием малодиссоциирующего вещества или выделением газа. Обратимые реа

Константа химического равновесия
  Рассмотрим обратимую химическую реакцию общего вида, в которой все вещества находятся в одном агрегатном состоянии, например, жидком: аA + вB D сC + dD, где

Правило фаз Гиббса. Диаграмма состояния воды
Качественная характеристика гетерогенных равновесных систем, в которых не происходит химического взаимодействия, а наблюдается лишь переход составных частей системы из одного агрегатного состояния

Правило фаз для воды имеет вид
С = 1+ 2 – Ф = 3 – Ф если Ф = 1, то С = 2 (система бивариантна) Ф = 2, то С = 1 (система одновариантна) Ф = 3, то С = 0 (система безвариантна) Ф = 4, то С = -1 (

Понятие о химическом сродстве веществ. Уравнения изотермы, изобары и изохоры химических реакций
Под термином «химическое сродство» понимают способность веществ вступать в химическое взаимодействие друг с другом. У различных веществ оно зависит от природы реагирующих ве

Сольватная (гидратная) теория растворения
  Растворами называются гомогенные системы, состоящие из двух или более веществ, состав которых может меняться в довольно широких пределах, допустимых раст

Общие свойства растворов
  В конце XIX века Рауль, Вант-Гофф, Аррениус установили весьма важные закономерности, связывающие концентрацию раствора с давлением насыщенного пара растворителя над раствором, темпе

Типы жидких растворов. Растворимость
Способность к образованию жидких растворов выражена в различной степени у различных индивидуальных веществ. Одни вещества способны растворяться неограниченно (вода и спирт), другие – лишь в огранич

Свойства слабых электролитов
При растворении в воде или других растворителях, состоящих из полярных молекул, электролиты подвергаются диссоциации, т.е. в большей или меньшей степени распадаются на положительно и отрицательно з

Свойства сильных электролитов
Электролиты, практически полностью диссоциирующие в водных растворах, называются сильными электролитами. К сильным электролитам относятся большинство солей, которые уже в кр

При соблюдении этих условий коллоидные частицы приобретают электрический заряд и гидратную оболочку, что препятствует выпадению их в осадок.
К дисперсионным методам получения коллоидных систем относятся: механические – дробление, растирание, размол и т. д.; электрический – получение золей металлов под действ

Устойчивость коллоидных растворов. Коагуляция. Пептизация
  Под устойчивостью коллоидного раствора понимают постоянство основных свойств этого раствора: сохранение размеров частиц (агрегативная устойчивость

Свойства коллоидно-дисперсных систем
Все свойства коллоидно-дисперсных систем можно разделить на три основные группы: молекулярно-кинетические, оптические и электрокинетические. Рассмотрим молекулярно-кинетические

Особенности обменных процессов
Химические реакции разделяются на обменные и окислительно-восстановительные (Ox-Red). Если в реакции не происходит изменение степени окисления, то такие реакции называются обменными. Они возможны п

Особенности окислительно-восстановительных процессов
  При окислительно-восстановительных реакциях происходит изменение степени окисления вещества. Реакции можно разделить на те, которые проходят в одном реакционном объеме (например, в

Общие понятия электрохимии. Проводники первого и второго рода
Электрохимия – это раздел химии, занимающийся изучением закономерностей взаимных превращений электрической и химической энергии. Электрохимические процессы можно разде

Понятие об электродном потенциале
Рассмотрим процессы, протекающие в гальванических элементов, т. е. процессы превращения химической энергии в электрическую. Гальваническим элементомназывают электрохим

Гальванический элемент Даниэля-Якоби
Рассмотрим систему, в которой два электрода находятся в растворах собственных ионов, например, гальванический элемент Даниэля-Якоби. Он состоит из двух полуэлементов: из цинковой пластины, погружен

Электродвижущая сила гальванического элемента
  Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента.

Поляризация и перенапряжение
  При самопроизвольных процессах устанавливается равновесный потенциал электродов. При прохождении электрического тока потенциал электродов изменяется. Изменение потенциала электрода

Электролиз. Законы Фарадея
Электролизом называют процессы, протекающие на электродах под действием электрического тока, подаваемого от внешнего источника тока через электролиты. При элект

Коррозия металлов
Коррозия – это разрушение металла в результате его физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Это процесс самопроизвольный, идущий с уменьшением энергии Гиббса сист

Методы получения полимеров
  Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называ

Строение полимеров
Макромолекулы полимеров могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми. Линейные полимеры – это полимеры, которые построены из длинных цепей одномерных элементов, т.

Свойства полимеров
  Свойства полимеров условно можно разделить на химические и физические. И те, и другие свойства связаны с особенностями строения полимеров, способом их получения, природой вводимых в

Применение полимеров
На основе полимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиционные материалы (композиты). Волокна получают путем продавливания растворов или

Некоторые реагенты для идентификации катионов
  Реагент Формула Катион Продукт реакции Ализарин C14H6O

Инструментальные методы анализа
В последние годы все более широкое применение получают инструментальные метода анализа, обладающие многими достоинствами: быстротой, высокой чувствительностью, возможностью одновременного определен

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги