Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Основы химической термодинамики.
|
|
Глава 5.
Энергетика химических процессов.
Основы химической термодинамики.
Наука, изучающая взаимные превращения энергии, теплоты и работыназывается термодинамикой.
Химическая термодинамика - это наука, изучающая энергетику химических и фазовых превращений, а также направление и глубину протекания процессов в физико-химических системах.
Термодинамики рассматривает изменения, происходящие в т.н. термодинамической системе.
Термодинамическая система - это область пространства, обособленная от окружающей среды физическими или воображаемыми границами.
Совокупность одинаковых (по составу, структуре и свойствам) участков системы называется фазой. Фаза – часть системы, однородная по составу и свойствам и отделенная от других частей системы поверхностью раздела.
Система называется гомогенной, если она однородна во всех точках, и гетерогенной, если ее свойства в разных точках различны. Примерами гомогенных систем являются водные растворы электролитов и смеси газов. Суспензия мела в воде являются гетерогенными. В гетерогенных системах обязательно присутствует граница раздела фаз.
Химические вещества, входящие в состав системы, называют компонентами.
По отношению системы к окружающей среде различают:
· открытые системы - возможен обмен массой и энергией;
· закрытые системы - возможен обмен энергией, но нет обмена массой;
· изолированные системы - невозможен обмен энергией и массой.
Свойства термодинамической системы, а также явления, связанные с взаимными превращениями теплоты и работы, описывают при помощи термодинамических параметров. К термодинамическим параметрам относят: давление (p), объем (V), температура (T), количество вещества (n) и некоторые другие.
Свойства системы, значения которых принимают вполне определенные значения для любого состояния системы, но при этом не зависят от способа достижения данного состояния называют функциями состояния.
Функциями состояния являются: внутренняя энергия (U), энтальпия (H), энтропия (S), свободная энергия Гиббса или изобарно-изотермический потенциал (G) и другие.
Внутренняя энергия (U) системы - это суммарная энергия частиц системы без учета потенциальной и кинетической энергий с системы как целого. Внутренняя энергия частиц складывается из кинетической энергии поступательного, колебательного и вращательного движения частиц, а также из потенциальной энергии сил притяжения и отталкивания, действующих между частицами.
Состояние системы называют равновесным, если все параметры остаются постоянными во времени и в системе отсутствуют потоки вещества и энергии. Если параметры системы постоянны во времени, но имеются потоки вещества и энергии, состояние называют стационарным.
Если параметры системы меняются, то равновесие в системе нарушается и протекает термодинамический процесс. Если процесс характеризуется постоянством объема, то его называют - изохорный (V=const); если постоянным является давление - изобарный (p=const); а если температура - изотермический (T=const). Процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой, называют адиабатическим.
Если переход системы из одного состояния в другое и обратно происходит по одному и тому же пути и в окружающей среде не происходит никаких макроскопических изменений, то процесс называют обратимым. Необратимым называется процесс, который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния. К необратимым процессам относятся самопроизвольные, т.е., протекающие без постоянного воздействия на систему извне.
Циклическим называется процесс, при котором система возвращается в исходное состояние.
Абсолютное значение величины внутренней энергии определить нельзя ни теоретически, ни экспериментально. Можно лишь рассчитать ее изменение в ходе процесса, которое определяется из соотношения:
DU = U (конечное состояние) - U (начальное состояние)
Первый закон термодинамики связывает изменение внутренней энергии с количеством теплоты, подведенной к системе (теплообмен между системой и окружающей средой) и работой, совершаемой системой над окружающей средой.
Первый закон термодинамики имеет следующую формулировку: изменение внутренней энергии системы DU равно разности количества теплоты Q, переданного системе, и работы А, совершаемой системой против внешних сил.
| DU = Q - A. |
На основании I закона термодинамики также следует, что при различных способах перехода системы из одного состояния в другое, алгебраическая сумма Q + A остается неизменной.
Так, в изохорном процессе, объем остается неизменным (DV = 0), и, следовательно, система не совершает работы (A = p ∙ DV = 0). Отсюда следует, что в этом случае все количество теплоты, полученное системой, целиком идет на увеличение внутренней энергии системы.
В изобарном процессе работа против внешних сил совершается (A = p ∙ DV). Можно записать:
| Qp = DU + pDV = U2 - U1 + p(V2 - V1) = = (U2 + pV2) - (U1 + pV1) = H2 - H1 = DH. |
Величину:
| U + pV = H |
называют энтальпией системы.
Энтальпия ( H) - термодинамическая функция состояния системы, применяемая для изобарных процессов, учитывающая внутреннюю энергию и энергию, затрачиваемую на преодоление внешнего давления.
Энтальпия Н -это свойство вещества, являющееся мерой энергии, накапливаемой веществом при его образовании. Часто энтальпию вещества называют его теплосодержанием. Размерность энтальпии - [кДж/моль].
Непосредственно энтальпию измерить нельзя. Возможно измерить только изменение энтальпии в результате протекания процесса DН:
DH = H (конечное состояние) - H (начальное состояние).
Таким образом, внутренняя энергия и энтальпия представляют собой взаимно дополняющие друг друга функции состояния системы: первая отражает теплопередачу при постоянном объеме, вторая - при постоянном давлении.