Химическая термодинамика

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. ЛЕКЦИЯ 3.

Химическая термодинамика Основные понятия

Термодинамика – наука, изучающая взаимные переходы различных форм энергии. ​

Термодинамика исторически возникла как наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы.

Химическая термодинамика – раздел физической химии, в котором термодинамические методы применяются для анализа химических и физических явлений: химических реакций, фазовых переходов и процессов в растворах.​

Изучение тепловых эффектов, сопровождающих химические реакции - термохимия

• Определение возможности самопроизвольного течения процесса, а также условия положения равновесия и его смещения под влиянием изменения внешних условий Свойства веществ в растворах
• Определение возможности самопроизвольного течения процесса, а также условия положения равновесия и его смещения под влиянием изменения внешних условий
• Свойства веществ в растворах

03/30/2023

Химическая термодинамика Основные понятия

Особенность термодинамики:​

• она не рассматривает «внутренний мир» термодинамической системы, механизм процесса и скорость его протекания;​ термодинамика изучает только макроскопические свойства; сопоставляя эти свойства в исходном и конечном состояниях, термодинамика количественно описывает происходящие в системе изменения.
• она не рассматривает «внутренний мир» термодинамической системы, механизм процесса и скорость его протекания;​ термодинамика изучает только макроскопические свойства; сопоставляя эти свойства в исходном и конечном состояниях, термодинамика количественно описывает происходящие в системе изменения.
• она не рассматривает «внутренний мир» термодинамической системы, механизм процесса и скорость его протекания;​
• термодинамика изучает только макроскопические свойства; сопоставляя эти свойства в исходном и конечном состояниях, термодинамика количественно описывает происходящие в системе изменения.

Термодинамика базируется на нескольких постулатах:​первый закон (первое начало) термодинамики​второй закон (второе начало) термодинамики​третий закон (третье начало) термодинамики

    Состояние системы определяется  термодинамическими параметрами состояния  – температурой, давлением, концентрацией, объемом и т. д. Система характеризуется, кроме того, такими свойствами как внутренняя энергия  U ,  энтальпия  H ,  энтропия  S ,  энергия Гиббса  G . ​

Для химической реакции термодинамика позволяет рассчитать конечный результат – равновесный состав реакционной смеси, оценить максимально возможный выход продуктов реакции и подобрать оптимальные условия (давление, температура) её проведения .

03/30/2023

Физические и химические явления

Явление – это любое изменение, происходящее с веществом.

Физические явления – изменения, которые не ведут к образованию новых веществ(с иными свойствами). Например, изменение агрегатного состояния вещества, изменение объема тел при нагревании, изменение магнитных свойств и др.

Химические явления (химические реакции) – явления, при которых образуются новые вещества.

• Реагенты – вещества, которые вступают в реакцию.
• Продукты – вещества, которые образуются в результате реакции.

Cхематическая запись реакции – схема реакции :

А + B → C + D

А, B – реагенты, С, D – продукты.

уголь + кислород → углекислый газ

С + О 2 → СО 2

С, О 2 - реагенты, СО 2 – продукт.

Химические реакции

Признаки химических реакций

1. Изменение цвета. (!)

2. Выделение газа (!)

3. Образование осадка (или его растворение) (!)

4.Выделение/поглощение тепла, свечение, самовоспламенение .

5. Появление запаха.

6. Изменение вкуса

Условия протекания химических реакций

1.Изменение температуры (нагревание/охлаждение).

2. Изменение давление (уменьшение/увеличение).

3. Соприкосновение, перемещение.

5. Действие света, электрического тока.

6. Применение катализаторов и ингибиторов.

4. Измельчение.

Нормальные условия – н.у.:

Давление: p = 1 атм = 101325 Па (10 5 Па)

Температура: Т = 273,15 К ( 0 ͦ С)

Классификация химических реакций

По числу и составу реагентов и продуктов:

Тип химической реакции

Определение 

1. Реакции соединения

2. Реакции разложения

  Примеры

Реакции между двумя простыми веществами или между несколькими сложными, при этом образуется одно сложное и более сложное вещество

3. Реакции замещения

  Реакции, при которых из одного вещества образуется несколько простых или сложных веществ.

Реакции между двумя сложными и простыми веществами, при которых атомы простого вещества замещают атомы сложного. 

4. Реакции обмена

CaO + H 2 O = Ca(OH) 2

Сu(OH) 2 = CuO + H 2 O

  Реакции между двумя сложными веществами, при которых они обмениваются своими составными частями.

PbO + SiO 2 = PbSiO 3

СuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu

CaCO 3 = CaO + CO 2  

2KBr + Cl 2 = 2KCl +Br 2

2Na + Cl 2 = 2 NaCl

NH 4 Cl = NH 3 + HCl

AgNO 3 + KBr = AgBr + KNO 3

  NaOH + HCl = NaCl + H 2 O

Классификация химических реакций

По поглощению/выделению тепла:

С выделением теплоты – экзотермические

С поглощением теплоты – эндотермические

По наличию катализатора:

Каталитические

Некаталитические 

Понятие об экзо- и эндотермических реакциях

Тепловой эффект химической реакции – это количество теплоты, которое выделяется или поглощается в результате химической реакции. Обозначение – Q , единицы измерения кДж .

Тепловой эффект химической реакции принято записывать с помощью термохимических уравнений. Например:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O + 484 кДж

Реакции, протекающие с выделением энергии(тепла, света) во внешнюю среду, называют экзотермическими.

Реакции, протекающие с поглощением энергии, называют эндотермическими.

Экзотермические реакции

К экзотермическим реакциям относят:

Реакции горения , сопровождающиеся выделением света и тепла:

2Mg + O 2 = 2 MgO + Q

CH 4 + O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q

Реакции соединения , которые практически всегда протекают с выделением тепла:

H 2 + Cl 2 = 2HCl + Q

2Ag + Br 2 = 2AgBr + Q

Исключение – реакция азота с кислородом – сопровождается поглощением тепла, эндотермическая реакция:

N 2 + O 2 = 2NO - Q

Эндотермические реакции

К эндотермическим реакциям относят:

Реакции разложения , которые практически всегда протекают с поглощением тепла:

CaCO 3 = CaO + O 2 – Q

2H 2 O = 2H 2 + O 2 – Q

Реакции горения

Реакция горения  – это реакция окисления (реакция взаимодействия с кислородом), протекающая с  достаточно большой скоростью, сопровождающаяся выделением тепла и света. ​

Вещество + O 2 → Продукты окисления + энергия

Для возникновения горения необходимо:​

• Горючее вещество. ​
• Окислитель(кислород). ​
• Нагревание горючего вещества до температуры воспламенения, которая различна у разных веществ. ​

• Некоторые процессы окисления протекают медленно –  медленное окисление . Уловить происходящие с веществами изменения возможно лишь через некоторое время. Медленное окисление также сопровождается выделением теплоты.​
• Примеры медленного окисления – процесс гниения, ржавление металлов.​

Химическая термодинамика Основные понятия

Окружающая среда

• Объект изучения термодинамики – термодинамические системы.
• Системы бывают:

• открытые, закрытые и изолированные гомогенные и гетерогенные простые и сложные
• открытые, закрытые и изолированные
• гомогенные и гетерогенные
• простые и сложные

Термодинамическая система – материальный объект, выделенный из внешней среды с помощью реально существующей или воображаемой граничной поверхности и способный обмениваться с другими телами энергией и/или веществом.

NB! Система обязательно должна содержать большое число молекул. Системы с малым числом молекул термодинамика не рассматривает.

СИСТЕМА

Граница

03/30/2023

Химическая термодинамика Основные понятия

http://www.nscience.ru/

Закрытая (замкнутая) система – система, которая обменивается с окружающей средой энергией, но нет обмена веществом.

Открытая система – система, обменивающаяся с окружающей средой энергией и веществом.

Изолированная система – система, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом.

15

03/30/2023

Химическая термодинамика Основные понятия

• Гомогенная система  — однородная система, состоящая из одной фазы, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно, без скачков (между частями системы нет поверхностей раздела). Составные части гомогенной системы нельзя обнаружить ни визуально, ни с помощью оптических приборов, нельзя отделить друг от друга механическим путем.

Примеры: смеси любых газов (воздух), смесь нефтепродуктов, оптическое стекло, истинные растворы.

• Гетерогенная система — неоднородная система, состоящая из двух или более фаз, разделенных поверхностью раздела. Фазы могут отличаться друг от друга по составу и свойствам.

Примеры: жидкость -насыщенный пар, насыщенный раствор с осадком, смесь воды и нефтепродуктов.

03/30/2023

15

Химическая термодинамика Основные понятия

Простая система – система, состоящая из одного вещества.

• Например: вода - насыщенный пар, тающий лёд
• Например: вода - насыщенный пар, тающий лёд

Сложная система – система, состоящая из нескольких веществ.

• Например: воздух, раствор поваренной соли, сплавы.
• Например: воздух, раствор поваренной соли, сплавы.

03/30/2023

15

  Химическая термодинамика Основные понятия

• Состояние системы характеризуется совокупностью всех её физических и химических свойств (объём, давление, температура, химический состав, масса и др.)
• Эти свойства системы связаны уравнением состояния и другими уравнениями, поэтому, для однозначной характеристики состояния системы достаточно знать не все свойства, а лишь некоторые из них.
• Эти свойства выбирают в качестве независимых переменных и называют параметрами состояния .
• Независимые переменные фиксированы условиями существования системы и не могут изменяться в пределах рассматриваемой задачи.
• Количество параметров, необходимое для определения состояния системы, зависит от степени её сложности.
• Например, для газа в качестве параметров состояния могут быть выбраны любые два из трёх: давление, объём и температура.

03/30/2023

17

Химическая термодинамика Основные понятия

• Термодинамические параметры (параметры состояния) или свойства:

• Внешние параметры; определяются свойствами и координатами тела в окружающей среде и зависят от контактов системы с окружающей средой (например, массы и количества компонентов, напряженность электрического поля); их число ограничено Внутренние параметры; зависят только от свойств самой системы (например, плотность, внутренняя энергия); их число не ограничено Экстенсивные параметры (выражают количественные характеристики системы) – свойства, прямо пропорциональные массе системы или числу частиц (например, объем, энергия, энтропия, энтальпия, теплоемкость, количество вещества).  Обладают аддитивностью. ( additivus  — прибавляемый, т.е. любое экстенсивное свойство системы равно сумме соответствующих свойств её частей). Интенсивные параметры (выражают качественные характеристики системы) – свойства, не зависящие от массы системы и числа частиц (например, температура, плотность, давление, поверхностное натяжение, удельная теплоёмкость, концентрация, мольный объём, электрический потенциал). Не обладают аддитивностью.
• Внешние параметры; определяются свойствами и координатами тела в окружающей среде и зависят от контактов системы с окружающей средой (например, массы и количества компонентов, напряженность электрического поля); их число ограничено
• Внутренние параметры; зависят только от свойств самой системы (например, плотность, внутренняя энергия); их число не ограничено
• Экстенсивные параметры (выражают количественные характеристики системы) – свойства, прямо пропорциональные массе системы или числу частиц (например, объем, энергия, энтропия, энтальпия, теплоемкость, количество вещества).  Обладают аддитивностью. ( additivus  — прибавляемый, т.е. любое экстенсивное свойство системы равно сумме соответствующих свойств её частей).
• Интенсивные параметры (выражают качественные характеристики системы) – свойства, не зависящие от массы системы и числа частиц (например, температура, плотность, давление, поверхностное натяжение, удельная теплоёмкость, концентрация, мольный объём, электрический потенциал). Не обладают аддитивностью.

03/30/2023

17

Химическая термодинамика Основные понятия

Набор интенсивных термодинамических параметров определяет состояние системы.

Равновесное

Неравновесное (неустойчивое, лабильное)

Стационарное

Для характеристики термодинамической системы необходимо, чтобы среди параметров состояния был бы один экстенсивный.

Состояния термодинамических систем:

03/30/2023

17

Химическая термодинамика Основные понятия

Равновесное состояние  – такое состояние системы, при котором её параметры (давление, объём, температура и др.) не изменяются во времени и в ней отсутствуют потоки вещества и энергии. 

В  равновесном состоянии не может быть таких явлений как диффузия, фазовые превращения и т.п.

Необходимым условием для того, чтобы процесс был равновесным, является равенство интенсивных параметров, действующих на систему со стороны окружающей среды и со стороны системы на окружающую среду.

• Механическое равновесие означает равенство давления внутри системы и внешнего давления.
• Тепловое равновесие означает равенство температуры во всех частях системы и в окружающей среде.
• Химическое равновесие – термодинамическое равновесие в системе, между компонентами которой происходят химические реакции. Параметры состояния системы при химическом равновесии не зависят от времени; состав такой системы называется равновесным.

03/30/2023

20

Стационарное состояние  - такое состояние системы, при котором её параметры (давление, объём, температура и др.) не изменяются во времени, но имеются потоки вещества или энергии.

​ Если на границе системы со стороны окружающей среды поддерживаются одинаковые значения интенсивных параметров, то система с течением времени обязательно придет в состояние равновесия.​

Если значения интенсивных параметров неодинаковы, то система придет в стационарное состояние.

​

Неравновесное состояние –  состояние , при котором хотя бы один параметр не имеет определённого значения (т.е. система настолько далека от равновесного состояния, что её нельзя охарактеризовать определёнными значениями температуры, давления и концентрации частиц).​

Пример:  система с различной температурой в разных точках. Если такую систему изолировать, то температура во всех точках системы постепенно выровняется, т.е. система придёт в равновесное состояние. 

03/30/2023

20

Химическая термодинамика

• Параметры состояния (термодинамические переменные) – макроскопические величины, которые можно экспериментально измерить:

• p – давление T – температура V – объем n - количество вещества
• p – давление T – температура V – объем n - количество вещества
• p – давление
• T – температура
• V – объем
• n - количество вещества
• Любое изменение параметров состояния является термодинамическим процессом.
• Изменение параметров состояния ведет к возникновению нового состояния системы.

03/30/2023

20

Термодинамический процесс – последовательность состояний системы, ведущих от одного начального набора термодинамических переменных к другому – конечному.

Самопроизвольные процессы – для их осуществления не надо затрачивать энергию

Несамопроизвольные процессы – происходят только при затрате энергии

Обратимые процессы – процессы, в которых переход системы из одного состояния в другое и обратно может происходить через последовательность одних и тех же состояний, и после возвращения в исходное состояние в окружающей среде не остается макроскопических изменений

03/30/2023

24

В ходе процесса некоторые термодинамические параметры могут быть зафиксированы:

Химическая термодинамика Основные понятия

V=const, изохорный процесс  

Q=const, адиабатический процесс

      P=const, изобарный процесс

T=const, изотермический процесс         

24

03/30/2023

Химическая термодинамика Основные понятия

Процессы в технологической практике:

• изобарно-изотермические (p=const, T=const). Примеры: процессы, протекающие в открытых и проточных аппаратах.

•   изохорно-изотермические (V=const, T=const). Примеры: процессы, протекающие в автоклавах и других аппаратах с постоянным объёмом.

03/30/2023

24

Термодинамические функции:

Функции состояния (термодинамические потенциалы) – величины, значение которых зависит только от состояния системы и не зависит от пути, по которому это состояние получено.  Их нельзя экспериментально измерить и рассчитать; вычислить можно только их изменение. 

U - внутренняя энергия, Дж 

H - энтальпия, Дж

F - свободная энергия Гельмгольца, Дж

G - энергия Гиббса, Дж/моль

S -  энтропия, Дж/К 

Функции процесса – величины, значение которых зависит от пути, по которому происходит изменение системы. 

Q  - теплота, Дж

W – работа, Дж

03/30/2023

24

Внутренняя энергия – полная энергия системы, складывается из кинетической энергии движения частиц, потенциальной энергии взаимодействия между ними и внутримолекулярной энергии

U=U(S,V) 

Энтальпия – тепловая функция или теплосодержание, наряду с системой учитывает и окружающую ее среду

H=H(S,p)

Свободная энергия Гельмгольца - является мерой работы, которую может совершить термодинамическая система над внешними телами

F=F(T,V)

Энергия Гиббса - полная химическая энергия; энергия, за счет которой система производит работу; характер изменения энергии Гиббса позволяет судить о принципиальной возможности осуществления процесса

G=G(T,p)

Энтропия – мера беспорядка в системе

• Теплота – это одна из форм проявления внутренней энергии. Теплота передается в результате хаотического движения молекул/атомов.
• Работа – количество энергии, переданной или полученной системой путем изменения ее внешних параметров.

03/30/2023

24

Основной постулат термодинамики

(первое исходное положение):

• Любая изолированная система с течением времени приходит в равновесное состояние и самопроизвольно не может из него выйти.
• Термодинамическое равновесие — предельное состояние, к которому стремится термодинамическая система, изолированная от внешних воздействий, то есть в каждой точке системы устанавливается термическое, механическое и химическое равновесие, происходит выравнивание температуры и давления, и все возможные химические реакции достигают состояния, когда в каждом элементарном химическом процессе скорость прямой реакции равна скорости обратной.
• Релаксация – самопроизвольный переход системы из неравновесного состояния в равновесное.
• Это положение не выполняется для систем астрономического масштаба (галактик) и микроскопических систем с малым числом частиц.

03/30/2023

24

2. Химическая термодинамика 2.1. Основные понятия

Нулевой закон термодинамики (второе исходное положение):

• Если система А находится в тепловом равновесии с системой В, а та, в свою очередь, находится в равновесии с системой С, то системы А и С также находятся в тепловом равновесии; при этом их температуры равны

03/30/2023

24

2. Химическая термодинамика 2.2. Уравнение состояния

Уравнение состояния термодинамической системы связывает внутренние переменные с внешними переменными и температурой или внутренней энергией:

f(a,b,T)=0 или a=a(b,T)

a – совокупность внутренних параметров

b – совокупность внешних параметров

T - температура

03/30/2023

24

2. Химическая термодинамика 2.2. Уравнение состояния

Термическое уравнение состояния:

p=p(V,n,T)

p (давление) – внутренний параметр

V (объем) – внешний параметр

Калорическое уравнение состояния:

U=U(V,n,T)

U (энергия) – внутренний параметр

V (объем) – внешний параметр

Если известны термическое и калорическое уравнения состояния, то можно определить все термодинамические свойства системы, т.е. получить ее полное описание

03/30/2023

24

2. Химическая термодинамика 2.2. Уравнение состояния

Уравнение состояния идеального газа

или

где

24

03/30/2023

2. Химическая термодинамика 2.3. Первый закон термодинамики

Закон сохранения и превращения энергии для термодинамической системы

• Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой W, совершенной системой над внешними телами.

• Количество тепла, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами.

24

03/30/2023

2. Химическая термодинамика 2.3. Первый закон термодинамики

• Для изолированной системы

• Если в изолированной системе ( Q = W = 0 ) не происходит никаких превращений энергии, кроме теплообмена между телами, входящими в эту систему, то количество теплоты, отданное охлаждающимися при этом телами, равно количеству теплоты, полученному телами, которые нагреваются. Суммарная внутренняя энергия системы при этом не меняется.

• Это уравнение называется уравнением теплового баланса .

03/30/2023

24

2. Химическая термодинамика 2.3. Первый закон термодинамики

Для открытой системы

- “химическая работа”, работа переноса вещества из окружающей среды в систему

- химический потенциал

24

03/30/2023

2. Химическая термодинамика 2.3. Первый закон термодинамики

• Невозможно существование вечного двигателя 1-го рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.
• Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии.

Perpetuum mobile?

03/30/2023

24

2. Химическая термодинамика 2.3. Первый закон термодинамики

Работа W – это упорядоченная форма передачи энергии от одного тела к другому, не связанная с переносом теплоты и/или вещества.

Виды работы:

• механическая (работа расширения)

• электрическая (работа переноса заряда)

• работа изменения площади поверхности

• работа намагничивания вещества

03/30/2023

24

2. Химическая термодинамика 2.3. Первый закон термодинамики

• Теплота – неупорядоченная форма передачи энергии от боле нагретого тела к менее нагретому, связанная с хаотическим движением частиц и не связанная с переносом вещества и совершением работы.

03/30/2023

24

2. Химическая термодинамика 2.4. Теплоемкость

• Теплоемкость – количество теплоты, поглощенное телом при нагревании на один градус

• Удельная теплоемкость - теплоёмкость единицы массы данного вещества

• Молярная теплоемкость - теплоёмкость 1моля данного вещества

• Объемная теплоемкость

03/30/2023

24

24

2. Химическая термодинамика 2.4. Теплоемкость

У газов различают:

• изохорную теплоемкость – теплоемкость при постоянном объеме
• Изобарную теплоемкость – теплоемкость при постоянном давлении

для одного моля идеального газа

для n молей идеального газа

для конденсированной фазы

24

03/30/2023

2. Химическая термодинамика 2.4. Теплоемкость

• Средняя теплоемкость

• Истинная теплоемкость

• Связь между истинной и средней теплоемкостями

03/30/2023

24