Первый закон термодинамики. Термохимия

Теория производит тем большее впечатление,

чем проще ее предпосылки, чем разнообразнее предметы,

которые она связывает, и чем шире область ее применения.

Отсюда глубокое впечатление, которое произвела на меня

классическая термодинамика. Это единственная физическая

теория общего содержания, относительно которой я убежден,

что в рамках применимости ее основных понятий она никогда

не будет отвергнута…

А.Эйнштейн

Термодинамика

Термодинамика – научная дисциплина, изучающая:

- переходы энергии из одной формы в другую, от одной системы к другой;

- энергетические эффекты, сопровождающие химические и физические процессы;

- принципиальную возможность самого процесса и направление самопроизвольного их протекания.

Все химические и физические явления в термодинамике исследуются главным образом с помощью следующих основных законов:

I-ое начало термодинамики XIX век

II-ое начало термодинамики

III-ье начало термодинамики, XX век

Теоретический анализ химических процессов.

Совокупность закономерностей, выведенных математическим путем на основе логического развития указанных законов термодинамики, является содержанием классической термодинамики.

Принцип построения дедуктивный – т.е. законы термодинамики - это опытные обобщения и из них выводятся следствия для различных частных случаев.

Термодинамика – наука о макросистемах. Отдельные частицы (молекулы, атомы, электроны и т.д.) или небольшое их число не является предметом ее изучения.

Термодинамика позволяет a priori определить невозможность того или иного процесса и, тем самым, избежать постановки опытов, обреченных на неудачу.

Различают:

1) Общую термодинамику – теоретические основы, ее законы и их применение преимущественно к физическим явлениям.

2) Техническую термодинамику – основные законы, рассматриваемые в приложении к процессам взаимного превращения теплоты и работы. Главная цель – разработка теории тепловых двигателей.

3) Химическую термодинамику – применение законов к химическим и физико–химическим явлениям:

- тепловые балансы процессов, реакций;

- фазовые равновесия для индивидуальных веществ и смесей;

- химическое равновесие.

Задачи химической термодинамики:

1. определение условий, при которых данный процесс становится возможным без совершения работы извне;

2. нахождение пределов устойчивости изучаемого вещества в тех или иных условиях;

3. оптимизация продуктов реакции с целью подавления побочных реакций;

4. выбор оптимального режима процесса, (t, p, и т.д.)

Примеры:

Fe₃O₄ + 4CO = 3Fe + 4CO₂

Основные понятия и определения

1. Термодинамическая система – совокупность тел, могущих энергетически взаимодействовать между собой и другими телами и обмениваться с ними веществом.

2. Термодинамическая система, которая не обменивается энергией и веществами с другими системами, называется изолированной.

3. Если состояние термодинамической системы не изменяется во времени, т.е. нет потока веществ и энергии, и ее неизменность не обусловлена внешними процессами, то система называется термодинамически равновесной.

4. Система называется гетерогенной, если она состоит из различных по своим свойствам частей, разграниченных поверхностями раздела.

5. Система, в которой нет поверхностей раздела, называется гомогенной.

6. Совокупность частей гетерогенной системы, разделенных поверхностями раздела и характеризующихся в отсутствие внешнего поля сил одинаковыми физическими свойствами во всех своих точках, называется фазой.

Термодинамические параметры

Совокупность величин, характеризующая состояние термодинамической системы, называется термодинамическими параметрами.

Основные термодинамические параметры – Т, Р, плотность, удельный объем, концентрация.

Р (давление) – характеризует взаимодействие системы с внешней средой. Это параметр состояния, определяемый силой, действующей в теле на единицу площади поверхности по нормали к ней.

Если система находится в равновесии, то давление одинаково во всех ее частях и равно внешнему давлению.

Т (температура) – определяет меру интенсивности теплового движения молекул.

Работа и теплота

Работа и теплота являются количественными характеристиками двух форм обмена энергией между системой и окружающей средой.

Работа процесса – это энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии, не зависящая от температуры этих тел и не связанная с переносом вещества от одного тела к другому.

Работа (А), совершаемая системой, обусловлена взаимодействием между системой и внешней средой, в результате которого преодолеваются внешние силы, нарушившие равновесие в системе. Работа определяется суммой произведений действующих на систему сил или соответствующий путь (давление на изменение объема, поверхностного натяжения, поверхности и т.д.).

Для элементарного процесса, в течение которого внешнее давление можно считать неизменным,

А = ∫PdV

Положительной в термодинамике принято считать работу, произведенную системой над средой (например, расширение газа, парообразование и т.д.).

В случаях, когда работа производится внешними силами, (сжатие газа) ее считают отрицательной.

Энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии, зависящая лишь от температуры этих тел и не связанная с переносом вещества от одного тела к другому, называется теплотой процесса. Выделение или поглощение теплоты (Q) системой является результатом нарушения термического равновесия между системой и внешней средой. Теплоту, подводимую к системе, в термодинамике принято считать положительной, а отданную – отрицательной.

Экзотермическая теплота – отрицательна.

Эндотермическая теплота – положительна.

Процесс, при котором система не получает теплоты извне и не отдает ее, называется адиабатным.