Энергетика химических процессов. Принцип возрастания энтропии

Внутренняя энергия вещества – форма энергии, скрытая в веществах и освобождающаяся при химических, а также при некоторых физических процессах. Складывается из энергии кинетической и потенциальной.

Эзотермические реакции – реакции, протекающие с поглощением энергии.

Эндотермические реакции – реакции, протекающие с поглощением энергии.

Теплота образования – количество теплоты, которое выделяется при образовании одного моля соединения из простых веществ.

Закон Гесса (1840) – тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.

Закон сохранения энергии или 1-ый закон термодинамики – общая энергия изолированной системы остается постоянной не зависимо от каких-либо изменений, происходящих в этой системе.

Три следствия из этого закона:

- изохорический процесс протекает при постоянном объеме. В этом случае вся теплота расходуется на увеличение внутренней энергии системы;

- изотермический процесс протекает при постоянной температуре. В этом случае внутренняя энергия системы не изменяется. Вся сообщаемая теплота расходуется на работу по расширению системы.

- изобарический процесс протекает при постоянном давлении.

Для характеристики этого процесса была введена величина – энтальпия – тепловая энергия, затраченная (или выделившаяся) при образовании вещества.

Энтальпия – функция состояния термодинамической системы при независимых параметрах энтропии S и давление p, связано с внутренней энергией U соотношением H = U + pV, где V – объем системы. При постоянном р изменение энтальпии равно количеству теплоты, подведенной к системе, поэтому энтальпию называют тепловой функцией или теплосодержанием. В состоянии термодинамического состояния (при постоянных р и S) энтальпия системы минимальны.

Экзотермические реакции сопровождаются уменьшением энтальпии. Эндотермические реакции – возрастанием энтальпии.

В химической термодинамике существуют два фактора, определяющие самопроизвольное протекание химических процессов:

1. Тенденция к достижению минимума внутренней потенциальной энергии. Согласно этому фактору химические процессы должны самопроизвольно протекать в направлении уменьшения внутренней энергии системы, т.е. в направлении, отвечающем положительному тепловому эффекту реакции или в направлении уменьшения энтальпии.

2. Тенденция к достижению наиболее вероятного состояния системы. Для характеристики наиболее вероятного состояния используют величину энтропия – мера беспорядка в системе. Наименьшую энтропию имеют идеально построенные кристаллы при абсолютном нуле, с увеличением температуры энтропия всегда увеличивается, так как увеличивается интенсивность движения частиц, а следовательно растет число способов их расположения. Увеличивается она также и при переходе вещества из кристаллического состояния в жидкое, а из жидкого в газообразное. В химических процессах энтропия изменяется при изменении числа молекул газов: увеличение числа газовых молекул приводит к возрастанию энтропии, снижение – к ее уменьшению. Для отражения совместного влияния указанных двух тенденций используется величина энергии Гиббса (G или ∆G)

∆G = ∆ Н – Т ∆S

Самопроизвольно могут протекать только те реакции, за счет энергии которых можно совершать полезную работу, т.е. в сторону уменьшения энергии Гиббса. Из этого следует, что при низких температурах могут самопроизвольно протекать экзотермические реакции, а при высоких температурах – реакции, сопровождающиеся увеличением энергии.