Основы термодинамики

Термодинамическая система. Под термодинамической системой понимается тело или группа тел, мысленно обособленных от остальных тел, составляющих окружающую среду. Термодинамика изучает взаимодействие термодинамической системы с окружающей средой. Термодинамические системы по характеру взаимодействия с окружающей средой делятся на изолированные (отсутствет обмен массой и энергией с окружающей средой), замкнутые (допускается обмен энергией, но невозможен обмен массой) и открытые (возможен обмен массой и энергией). Состояние термодинамической системы описывается с помощью параметров – измеряемых величин, зависящих от системы. Это может быть температура, давление, масса, объём и т. д. Первый закон термодинамики представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем. Q=A +Δ U, где Q теплота, полученная системой из окружающей среды, А – работа, совершенная системой над окружающей средой, Δ U – изменение внутренней энергии системы. Существуют разные формулировки первого закона термодинамики. Первый закон термодинамики - количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами. Частные случаи первого закона термодинамики для изопроцессов.

При изохорном процессе объем газа остается постоянным, поэтому газ не совершает работу. Изменение внутренней энергии газа происходит благодаря теплообмену с окружающими телами:

При изотермическом процессе количество теплоты, переданное газу от нагревателя, полностью расходуется на совершение работы:

При изобарном расширении газа подведенное к нему количество теплоты расходуется как на увеличение его внутренней энергии и на совершение работы газом:

В последнем случае теплота носит название энтальпия. Энтальпия является функцией состояния (характеристической функцией). Значение такой функции зависит только от состояния системы и не зависит от пути перехода из одного состояния в другое.

H=U+PV, Δ H=Δ U+PΔ V

Практическое применение этой функции основано на том, что множество химических процессов в реальных или лабораторных условиях реализуются именно при постоянном (атмосферном) давлении, когда резервуар открыт. Так, энтальпия образования — количество энергии, которое выделяется или поглощается при образовании сложного вещества из простых веществ. Все химические реакции сопровождаются выделением (экзотермические) или поглощением (эндотермические) тепла. Мерой теплоты реакции служит изменение энтальпии Δ Н, которая соответствует теплообмену при постоянном давлении. В случае экзотермических реакций система теряет тепло и Δ Н — величина отрицательная. В случае эндотермических реакций система поглощает тепло и Δ Н — величина положительная. Особое место среди тепловых эффектов занимают теплоты (энтальпии) образования веществ. Теплотой образования называется тепловой эффект реакции получения моля данного вещества из простых веществ при стандартных условиях.

Закон Гесса — основной закон термохимии, который формулируется следующим образом:

Тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических или изохорно-изотермических условиях, зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания.

Иными словами, количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при каком-либо процессе, всегда одно и то же, независимо от того, протекает ли данное химическое превращение в одну или в несколько стадий (при условии, что температура, давление и агрегатные состояния веществ одинаковы).