Требования к знаниям и умениям студентов
| ЗНАТЬ | УМЕТЬ |
| 1.знать важнейшие понятия термодинамики: система, фаза, параметры системы, функции состояния, энергия, внутренняя энергия, термодинамическое равновесие; виды систем: открытые-закрытые- изолированные и гомогенные-гетерогенные. | 1.уметь правильно использовать понятия при ответах. |
| 2.знать первый закон термодинамики, его общефилософский и физический смысл, формулировку закона Лавуазье-Лапласа и формулировку Гесса, следствие из закона Гесса; понятия тепловой эффект реакции, экзотермические и эндотермические реакции, теплота образования сложного вещества, теплота сгорания, энтальпия, стандартные условия, соотношение изменения энтальпии, внутренней энергии и теплового эффекта реакции при изохорном процессе. | 2.уметь давать термодинамическую характеристику химической реакции (тепловой эффект, изменение энтальпии и внутренней энергии, давления или объема), вести расчеты по термохимическим уравнениям, рассчитывать тепловой эффект реакции по следствию из закона Гесса. |
| 3. знать второй закон термодинамики (постулаты Клаузевица и Кельвина) и его применение для химических процессов (определение возможности самопроизвольного процесса по изменению свободной энергии Гиббса), понятия энтропии, понятие абсолютного нуля, постулат Планка. | 3. уметь рассчитывать изменение энергии Гиббса в химических процессах и делать выводы относительно возможности протекания самопроизвольных процессов |
| 4. знать понятие скорости химической реакции и порядка реакции, ее зависимость природы вещества (энергия активации), от температуры (формула Вант-Гоффа), от концентрации (кинетическое уравнение) и давления, от площади поверхности (для гетерогенных процессов) и присутствия катализаторов. | 4. уметь делать расчеты по формуле Вант-Гоффа и кинетическому уравнению, делать выводы о влиянии условий на скорости реакции; пояснять принцип работы катализаторов (теория активного комплекса). |
| 5. знать понятие обратимых и необратимых химических реакций, характеристику химического равновесия (постоянство параметров, равная скорость прямой и обратной реакции), влияние условий химической реакции на сдвиг равновесия (правило Ле Шателье), понятие константы равновесия (закон действующих масс) и значение величины константы равновесия | 5. уметь записывать необратимые и обратимые реакции; пояснять смещение химического равновесия при изменении условий (по правилу Ле Шателье); записывать константу равновесия и пояснять зависимость ее величины от смещения равновесия в сторону прямой или обратной реакции |
1.4.1. Основные понятия и законы химической термодинамики и биоэнергетики.
План:
1. Основные понятия химической термодинамики: термодинамическая система (изолированная, закрытая, открытая, гомогенная, гетерогенная), параметры состояния (экстенсивные, интенсивные), термодинамический процесс (обратимый, необратимый). Живые организмы – открытые термодинамические системы. Необратимость процессов жизнедеятельности.
2. Первый закон термодинамики. Энтальпия. Термохимические уравнения. Стандартные теплоты образования и сгорания. Закон Гесса. Методы калориметрии. Энергетическая характеристика биохимических процессов. Значение термохимических расчетов для оценивания калорийности продуктов питания и составления рациональных и лечебных диет.
3. Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы. Второй закон термодинамики. Энтропия. Термодинамические потенциалы: энергия Гиббса, энергия Гельгольца. Термодинамические условия равновесия. Критерии направленности самопроизвольных процессов.
4. Применение основных положений термодинамики к живым организмам. АТФ как источник энергии для биохимических реакций. Макроэргические вещества. Энергетические отношения в живых системах.
- Основные понятия термодинамики.
Термодина́мика (греч. θέρμη — «тепло», δύναμις — «сила») — раздел физики, изучающий соотношения и превращения разных форм энергии. В отдельную дисциплину выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла при химических процессах. Однако в процессе своего развития термодинамика проникла во все разделы естественных наук и позволила теоретически предсказать многие явления задолго до появления строгой теории этих явлений.
В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называются термодинамическими системами. Т.е. Система– это совокупность материальных объектов (тел, образованных различными веществами), отделенных поверхностью раздела от окружающей среды.Окружающая среда– остальная часть пространства со всем, что в ней находиться.
Фаза– часть системы, которая обладает определенным составом и свойствами, и отделенная от других ее частей поверхностью раздела.
Системы бывают:
- изолированные - не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией;
- закрытые- могут обмениваться только энергией;
- открытые - могут обмениваться и энергией, и веществом.
Живые организмы – это открытые термодинамические системы.
Система может быть:
- гомогенной- все компоненты находятся в одной фазе, поверхность раздела между ними отсутствует;
- гетерогенной – система состоит из нескольких фаз, есть поверхность раздела, которая видна невооруженным глазом.
Например: насыщенный раствор соли в воде – гомогенная система, насыщенный раствор соли в воде вместе с кристаллами соли на дне – гетерогенная.
В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам. Эти величины называют параметрами. Например: давление, температура, объём, концентрация.Или функциями состояний (внутренняя энергия -U, энтальпия - H, энтропия - S, изобарно-изотермический потенциал –G). Функциями состояний – это величины, которые зависят от параметров (f(t,p,v,c)).
Традиционно считается, что термодинамика основывается на четырёх законах (началах), которые сформулированы на основе экспериментальных данных и поэтому могут быть приняты как постулаты.
Й закон — нулевое начало термодинамики: этот закон постулирует существование термодинамического равновесия и вводит понятие абсолютной температуры. Для каждой изолированной термодинамической системы существует состояние термодинамического равновесия, которого она при определенных внешних условиях с течением времени самопроизвольно достигает.
Мир вокруг нас материален и эта материя находится в постоянном движении.Энергия – это количественная мера определенного вида движения материи.Энергия может существовать в разных видах: механическая, химическая, электрическая, тепловая и т.д., один вид энергии может переходить в другую. Например: мы знаем, что электрическую энергию можно получить за счет тепловой энергии и наоборот. Химические реакции протекают с выделением или поглощением энергии. Это говорит о том, что исходные вещества еще до реакции обладали определенной энергией. И это была внутренняя энергия. Внутренняя энергия (U) – это энергия, скрытая в веществах и освобождающаяся при химических или физических процессах, она складывается из энергии теплового движения частиц, всех видов внутримолекулярной и внутриатомной энергии.
- 1-й закон — первое начало термодинамики.
Он представляет собой формулировку обобщённого закона сохранения энергии для термодинамических процессов. Имеется несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок первого закона термодинамики.
В наиболее простой форме его можно записать как Δ Q = Δ U + P Δ V , т.е.: Теплота, поглощенная системой или выделенная ею, расходуется на изменение внутренней энергии системы и совершение работы. Закон подтвержден работами Гесса (1836), затем Джоуля (1840), и Гельгольца (1847). В общем виде впервые сформулирован Ломоносовым (1744).