Энергетические характеристики системы

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Нижегородский государственный технический

Университет им. Р.Е. Алексеева

Кафедра "Общая и неорганическая химия"

Элементы химической термодинамики в курсе общей химии

Методические указания к лабораторным и практическим занятиям по курсу химии для студентов химических и нехимических специальностей

Нижний Новгород 2010

Составители: В.И.Наумов, Ж.В. Мацулевич, Г.А. Паничева,

Т.В. Сазонтьева

УДК 54 (07)

Элементы химической термодинамики в курсе общей химии: метод. указания к лабораторным и практическим занятиям по курсу общей химии для студентов химических и нехимических специальностей/ НГТУ; сост.: В.И.Наумов, Ж.В. Мацулевич и др. Н.Новгород, 2010. 49 с.

Предложены основные теоретические вопросы и задачи для домашних и практических занятий, а также описание лабораторных работ по теме " ТЕРМОХИМИЯ".

Научный редактор Л.Н.Четырбок

Редактор Э.Б. Абросимова

Подп. к печ.01.07.2010 Формат 60х84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная.

Печ.л.3,25. Уч.-изд.л.2,8.Тираж 2000 экз. Заказ .

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603950, Н.Новгород, ул. Минина, 24.

© Нижегородский государственный технический университет, 2010

Теоретическая часть

Принято различать общую, техническую и химическую термодинамику.

Общая термодинамика изучает наиболее общие законы превращения энергии.

Техническая термодинамика рассматривает взаимопревращения теплоты и механической работы, происходящие в тепловых машинах.

Химическая термодинамика изучает: 1. Переходы химической энергии в тепловую, электрическую, световую и обратно, а также устанавливает количественные законы этих переходов.

2. Энергетические эффекты, сопровождающие различные физические и химические процессы и зависимость их от условий протекания данных процессов;

3. Возможность, направление и пределы самопроизвольного протекания процессов в рассматриваемых условиях.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

Объектом изучения термодинамики является система.

Термодинамическая система – это часть пространства, заполненная веществом или веществами, находящимися между собой во взаимодействии, фактически или мысленно обособленная от окружающей среды.

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

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

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

Совокупность однородных частей системы, обладающих одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенные от остальных частей системы поверхностью раздела, называется фазой.

Системы, состоящие из одной фазы, называются гомогеннымиили однофазными. Например, в системе Н_2(г) + I_2(г) = 2HI_(г) все

вещества находятся в газообразном состоянии и между ними отсутствует поверхность раздела.

Системы, содержащие несколько фаз, называются гетерогенными. Например, в системе СаО_(к) + СО_2(г) = СаСО_3(к) имеются три фазы, отделенные друг от друга поверхностями раздела.

Энергия – это способность системы к совершению работы или переносу тепла. Это общая качественная мера движения и взаимодействия материи.

Формы перехода энергии от одной системы к другой могут быть разбиты на две группы.

В первую группу входит перенос энергии за счет теплопроводности и излучения.

Перенос энергии за счет теплопроводности совершается путем хаотических столкновений молекул двух соприкасающихся тел или сред (кристалл-кристалл, кристалл-жидкость, кристалл-газ, жидкость-газ).

Перенос энергии за счет излучения осуществляется путем облучения тела квантами света любого диапазона длин волн. Энергия квантов передается поверхностным атомам или молекулам облучаемого кристалла, жидкой или газовой сред, в результате чего энергия этих атомов или молекул повышается и далее, более глубоко лежащим атомам, энергия передается либо за счет облучения вторичными квантами света, генерирующимися в процессе перехода атома из возбужденного состояния в основное, либо за счет теплопроводности соприкасающихся атомов или молекул.

И в первом и втором случаях мерой энергии, передаваемой за счет неупорядоченного движения частиц, является теплота.

Во вторую группу включаются различные формы движения, общей чертой которых является направленное перемещение масс, охватывающих очень большое число молекул, под действием каких-либо сил. Сюда следует отнести: поднятие тел в поле тяготения, перенос некоторого количества электричества за счет разности потенциалов через обмотки электродвигателя, который с помощью дополнительных устройств перемещает (поднимает) грузы, вращает колеса автомобиля, гребной винт судна и т.д. К этой же категории следует отнести расширение газа в

двигателе внутреннего сгорания или паровой машине, который давит на поршень, перемещает его и совершает работу.

Общей мерой передаваемого таким способом движения является работа – форма передачи энергии путём упорядоченного движения частиц. Работа всегда связана с перемещением масс против действия некоторых сил и является одной из форм передачи энергии в ходе процесса.

Теплота и работа характеризуют качественно и количественно две различные формы передачи энергии от одной части материи к другой. Теплота и работа не могут содержаться в теле. Теплота и работа возникают только тогда, когда возникает процесс и характеризуют только этот процесс. В статических условиях теплота и работа не существуют.

Функция состояния - это функция, изменение которой не зависит от пути перехода из одного состояния в другое, а зависит только от начального и конечного состояний системы.

Энергетические характеристики системы

Внутренняя энергия - U (кДж/моль) – это энергия движения и взаимодействия всех частиц, составляющих данное вещество или совокупность веществ (молекул, атомов, ионов, ядер, электронов и др.). Под этим подразумевается потенциальная и кинетическая энергия отдельных атомов, молекул, ядер и их электронов, колебательная и вращательная энергия отдельных атомов, молекул, а также отдельных фрагментов молекул относительно друг друга, энергия взаимного отталкивания и притяжения частиц, внутриядерная энергия (энергия взаимодействия протонов и нейтронов), лучистая энергия и т.д. Внутренняя энергия – это полная энергия системы без учета кинетической энергии движения системы как целого и потенциальной энергии положения системы (например, относительно земли).

Запас внутренней энергии зависит от природы и физического состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное) и прямо пропорционален массе вещества.

Абсолютное значение внутренней энергии системы неизвестно, так как неизвестны условия, при которых внутренняя энергия равна нулю. Даже при Т = 0 К остаются внутриядерные взаимодействия и движение электронов в поле ядра, так что их суммарная энергия не равна нулю, а следовательно, и внутренняя энергия тоже не равна нулю.

В то же время можно измерить ее изменение DU, например, относительно некоторого значения, соответствующего стандартным условиям.

За стандартные условия в термодинамике принята температура 298 К, давление 10⁵ Па (1 атм) и концентрация вещества [C] = 1 моль/л.

Считается, что если в ходе какого-либо процесса внутренняя энергия возрастает, то DU является положительной величиной, если убывает - то отрицательной.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: