ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ.

Каждое химическая термодинамическая система, при постоянных физических условиях (р, Т) обладает определенным запасом энергии, называемым внутренней энергией. Внутренняя энергия системы, содержащей только это вещество, представляет собой энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц вещества и энергию взаимодействия этих частиц, но не включает кинетическую энергию движения системы как целого и ее потенциальную энергию во внешних силовых полях.

Термодинамическая система — произвольно выбранная часть пространства, содержащая одно или несколько веществ. От окружающей среды система отделена реальной или воображаемой оболочкой (поверхностью раздела). Для неизолированных систем (закрытых, открытых) возможна передача энергии через поверхность раздела. Для изолированных систем обмен энергией с окружающей средой невозможен. Абсолютно изолированные системы являются лишь полезной абстракцией и реально не существуют.

Внутренняя энергия (DU) — это функция состояния системы и ее не следует путать с параметрами (физическими условиями) существования вещества — температурой и давлением (или объемом V). Значения р, Т и V доступны для непосредственного измерения, а определить запас внутренней энергии вещества невозможно. Для химии интерес представляет не само абсолютное значение внутренней энергии, а изменение внутренней анергии (DU), вызванное изменением состояния вещества, в частности химическим изменением состояния вещества, происходящим при химических процессах. Таким образом, величина (DU) есть результат протекания в системе любого процесса. Изменение внутренней энергии веществ, участвующих в химической реакции, при постоянном объеме принято кратко называть внутренней энергией реакции. Поскольку все химические реакции сопровождаются перераспределением внутренней энергии, сумма внутренней энергии продуктов отличается от суммы внутренней энергии реагентов на значение внутренней энергии реакции:

DU=SU_прод – SU_исх

Единицей внутренней энергии, как и энергии вообще, в СИ является джоуль (обозначение Дж). В химической практике, где расчеты ведут на молярные количества реагентов и продуктов, более удобна кратная единица — килоджоуль (кДж). Ранее использовалась и до сих пор еще встречается внесистемная единица энергии — термохимическая калория, эта единица применяется в основном для выражения. количества теплоты. Соотношение между этими единицами таково: 1 кал = 4,1840 Дж; 1 Дж= 0,239 кал.

Изменение (DU) в каком-либо процессе представляет собой разность количества теплоты (Q), которым химическая реакция обменивается с окружающей средой при теплопередаче, и совершенной работы (A):

Уравнение DU= Q - А выражает первый закон термодинамики, т. е. закон сохранения энергии как меры движения материи в применении к процессам, в которых происходит теплопередача. Согласно этому закону внутренняя энергия является однозначной функцией состояния вещества и зависит только от параметров состояния, тогда как по отдельности каждая из величин, определяющих внутреннюю энергию (теплота Q, работа А) зависит от пути процесса, переводящего реагенты в продукты.

Теплота Q, выделившаяся или поглощенная в химической реакции, называется тепловым аффектом реакции. Его можно измерить в специальных приборах — калориметрах.

Если тепловой эффект реакции определен при постоянном объеме (Q_v), а единственным видом работы является работа расширения: А = pDV, которая при V =const равна нулю, то фактически будет определено в значение DU, т. е. Q = DU. При проведении реальных химических реакций поддерживать объем постоянным затруднительно, особенно в реакциях с участием газообразных веществ, количества и объем которых меняются при переходе от реагентов к продуктам. Чаще химические реакции протекают так, что изменение объема приспосабливается к постоянному давлению (например, атмосферному).

Если тепловой эффект химической реакции определен при постоянном давлении (обозначение (Q_Р), то он равен: Q = DU + А = DU + pDV

где А = pDV— работа, произведенная в результате реакции по изменению объема против внешнего давления (р = const). В этих условиях значение Q_Р характеризует конкретную химическую реакцию, протекающую без изменения давления.