Тепловые эффекты химических реакций. Энтальпия

ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

Основные понятия химической термодинамики

Химическая термодинамика – дисциплина, которая изучает энергетические эффекты, сопровождающие различные химические и физические процессы.

Объектами изучения химической термодинамики являются разнообразные системы.

С истема – вещество или совокупность веществ, находящихся во взаимодействии, реально или мысленно обособленных от внешней среды.

Фаза –совокупность всех однородных по составу и свойствам частей системы, отделенная от остальных частей системы поверхностью раздела.

Пример однофазной системы – лед; двухфазной – кипящая вода (жидкая и газообразная фазы); трехфазной – насыщенный водный раствор соли (кристаллическая соль, водный раствор соли и пары воды над раствором).

Систему, состоящую из нескольких фаз, называют гетерогенной, однофазную систему – гомогенной.

По характеру взаимодействия с внешней средой выделяют три типа систем:

v открытая – система, для которой возможен обмен веществом и энергией с внешней средой;

v закрытая – система, для которой исключен обмен веществом и возможен обмен энергией с внешней средой;

v изолированная – система, для которой исключен обмен веществом и энергией с внешней средой.

Самый распространенный тип систем – открытые. Примеры: сосуд с кипящей водой, горящая спичка и т.п. Примером закрытой системы является запаянный сосуд с взаимодействующими веществами. Изолированные системы в природе не существуют. Воображаемые изолированные системы используют в науке для различных теоретических построений.

Внутренняя энергия. Первое начало термодинамики

Внутренняя энергия (U) – сумма кинетической энергии движения и потенциальной энергии взаимодействия структурных единиц (молекул, атомов, ядер, электронов и др.) в системе.

Внутренняя энергия системы зависит от ее природы, агрегатного состояния и массы образующих систему веществ, температуры. Единица измерения – кДж.

Определение абсолютного значения внутренней энергии системы невозможно. В ходе химических реакций происходит изменение внутренней энергии системы. Его можно определить, пользуясь первым началом термодинамики.

Изменение внутренней энергии закрытой системы определяется количеством переданной теплоты и совершенной работой.

Соответствующее математическое выражение:

,

где Q – количество переданной теплоты;

A – совершенная работа.

Работу, совершаемую системой над внешней средой, считают положительной, а совершаемую над системой – отрицательной. Теплоту, полученную системой, считают положительной, а отданную системой во внешнюю среду – отрицательной.

Внешняя среда

‑А

-Q

+А

Система

+Q

Система

 

Схема взаимодействия системы с внешней средой

Тепловые эффекты химических реакций. Энтальпия

В ходе химической реакции за счет изменения внутренней энергии может выделяться или поглощаться теплота и совершаться работа.

Количество теплоты, которое выделяется или поглощается в результате химической реакции, называют ее тепловым эффектом.

Единица измерения тепловых эффектов – кДж.

В соответствии с первым началом термодинамики

В большинстве химических реакций

,

где ∆V – изменение объема системы.

Тогда количество теплоты

Для процессов, протекающих при постоянном давлении (изобарных),

Условно будем считать, что при химической реакции система переходит из состояния 1 в состояние 2, т. е.

DU = U₂ – U₁, DV = V₂ – V₁,

В термодинамике введена функция, которую называют энтальпией и обозначают H. Эта функция имеет только математическое определение.

Таким образом,

.

Тепловой эффект реакции при постоянном давлении (Q_p) равен изменению энтальпии.

Большинство химических реакций проходит в условиях постоянства давления, тепловые эффекты выражают величиной DH, которую называют энтальпией химической реакции.