Первое начало термодинамики. Обмен энергией между изучаемой системой и внешней средой описывают законы, которые изучает термодинамика

Обмен энергией между изучаемой системой и внешней средой описывают законы, которые изучает термодинамика. Применение законов термодинамики в химии позволяет решить вопрос о принципиальной возможности различных процессов, условиях их осуществления, определить степень превращения реагирующих веществ в химических реакциях и оценить их энергетику.

Система – это тело или группа тел, связанных между собой и мысленно или физически выделенных из окружающей среды.

Внешняя среда – вещества, окружающие систему.

Обмен энергией между системой и внешней средой может осуществляться в различных формах: тепловая, механическая, электрическая энергия, энергия излучения могут превращаться друг в друга. В превращениях, происходящих в ходе химических реакций, участвуют, как правило, тепловая энергия и механическая, или работа.

При любом химическом процессе соблюдается закон сохранения энергии. Первое начало термодинамики – это частный случай закона сохранения и превращения энергии, в применении к процессам, сопровождающимся выделением или поглощением теплоты:

Теплота ( ), сообщенная системе, идет на изменение ее внутренней энергии ( ) и на совершение работы ( ):

(13)

где – теплота; – изменение внутренней энергии; – работа против сил внешнего давления.

Внутренняя энергия ( ) системы – это общий запас энергии системы, включающий все виды энергии молекул, атомов, электронов и внутриядерную энергию(кроме потенциальной и кинетической энергии системы в целом).

Внутренняя энергия “ ” является функцией состояния системы, и ее изменение однозначно определяется начальным и конечным состоянием системы и не зависит от пути перехода: , где и – внутренняя энергия системы в состоянии 2 и 1 соответственно.

В отличие от внутренней энергии, теплота и работа являются функциями процесса. Функция процесса зависит от вида процесса (изохорный, изобарный и т.д.), с помощью которого система переходит от начального состояния к конечному.

Работа– это работа против всех сил, действующих на систему (внешнее давление, силы поверхностного натяжения и др.).

Состояние системы определяется совокупностью её физических и химических свойств, и характеризуется термодинамическими параметрами системы (например: температура, объём, состав системы). Состояние системы аналитически можно представить в виде уравнения состояния .

Многие химические реакции протекают либо при постоянном объеме ( , процесс изохорный), либо при постоянном давлении ( , процесс изобарный).

В ходе химической реакции совершается в основном работа против сил внешнего давления, которая зависит от объема системы:

, где V₂ и V₁ – объемы газообразных продуктов реакции и исходных веществ соответственно.

Проанализируем уравнение (13):

1) для изохорного процесса ( ): .

Следовательно, уравнение (13) приобретает вид (14)

т.е. тепловой эффект реакции при постоянном объеме и температуре T соответствует изменению внутренней энергии системы в ходе реакции.

К реакциям, протекающим изохорно, можно отнести: реакции в автоклаве, между твердыми и жидкими веществами без выделения газов и др.

2) для изобарного процесса ( ):

(15)

С учетом начального и конечного состояний системы, получим:

Функция обозначается , называется энтальпией (теплосодержанием). Энтальпия является функцией состояния, имеет размерность энергии

Таким образом, (16)

т.е. тепловой эффект реакции при постоянном давлении и температуре соответствует изменению энтальпии системы в ходе реакции.

Исходя из выражений (13) – (16), имеем:

или

Для перехода из одного состояния в другое уравнение запишется . Следовательно, для реакции между идеальными газами

(17)

где – разность между количеством образовавшихся газообразных продуктов и количеством газообразных исходных веществ.

Изменение внутренней энергии и энтальпии принято относить к веществам, находящимся в стандартных состояниях. Стандартным состоянием вещества при данной температуре называют его состояние в виде чистого вещества при давлении (в случае газов – при парциальном давлении данного газа), равном нормальному атмосферному давлению (101,325 кПа).

Изменения и , отнесенные к стандартным условиям, называют стандартными и обозначают: – стандартное изменение внутренней энергии в ходе реакции, – стандартное изменение энтальпии при химической реакции.