Первый закон термодинамики
Взаимосвязь между внутренней энергией, теплотой и работой устанавливает первый закон (начало) термодинамики. Его математическое выражение:
Q = DU + A,
или для бесконечно малого изменения
dQ = dU + dA . (2)
Это означает, что теплота Q, подведенная к системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии DU и на совершение системой работы А над внешней средой.
Работа, совершаемая системой (над системой), складывается из полезной работы А1 и работы расширения рDV: А = А1 + рDV или, для бесконечно малого изменения, dA = dA1 + рdV. Т.к. Q и А можно измерить непосредственно, то, используя уравнение (2), можно рассчитать DU.
Изобарные процессы (р = const). Существует множество процессов, в которых полезная работа равна 0. В этом случае работа расширения является единственным видом работы, т.е.
A = рDV. (3)
В этом случае математическое выражение 1-го закона термодинамики запишется:
Qр = DU + рDV, (4)
где Qр – теплота, подведенная к системе при постоянном давлении (изобарный процесс).
Учитывая, что DU = U2 – U1 и DV = V2 – V1, уравнение (4) запишется:
Qр = U2 – U1 + рV2 – рV1 = (U2 + рV2) – (U1 + рV1). (5)
Сумма (U + рV) – энтальпия системы, обозначается Н, т.е.
Н = U + рV (6)
и часто определяется как теплосодержание системы. Оно включает в себя внутреннюю энергию и работу, измеряется в кДж/моль, кДж. Подставив (6) в (5), получим:
Qр = Н2 – Н1 = DН, (7)
то есть теплота, подведенная к системе при постоянном давлении (р = const) расходуется на приращение энтальпии системы.
Поскольку DН определяется разностью (Н2 – Н1) и не зависит от пути и способа проведения процесса, энтальпия является функцией состояния системы.
Изохорные процессы (V = const). Если процесс протекает при постоянном объеме, V = const (DV = 0 и рDV = 0) и система не совершает работы, то вся подведенная к системе теплота расходуется на приращение ее внутренней энергии, т.е.
QV = U2 – U1 = DU, (8)
то есть теплота, подведенная к системе при постоянном объеме (V = const), расходуется на приращение внутренней энергии.
Таким образом, для двух важных процессов – изобарного и изохорного – теплота процесса приобретает свойства функции состояния, т.е. она не зависит от пути и способа осуществления процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы. Это – математическое следствие из I начала термодинамики.
Следует отметить, что подавляющее большинство химических реакций происходит при постоянном давлении (р = const), поэтому в дальнейшем основное внимание будет уделено изобарным процессам, а энергетический эффект реакции будет оцениваться изменением энтальпии.
Дата добавления: 2015-04-19; просмотров: 781;