Вопрос 12. Химичёская термодинамика, термодинамические параметры (Т, р, V). Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики

Химическая термодинамика изучает переходы химической энергии в другие формы — тепловую, электрическую и т. п., уста­навливает количественные законы этих переходов, а также направление и пределы самопроизвольного протекания химиче­ских реакций при заданных условиях.

Объектом изучения в термодинамике является система. Системой называется совокупность находящихся во взаимо­действии веществ, мысленно (или фактически) обособленная от окружающей среды. Различают гомогенные и гетерогенные сис­темы. Гомогенные системы состоят из одной фазы, гетерогенные — из двух или нескольких фаз. Фаза — это часть системы, однородная во всех точках по составу и свойствам и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Примером гомогенной системы мо­жет служить вода, но вода с плавающим в ней льдом — система гетерогенная.

Одна и та же система может находиться в различных состоя­ниях. Каждое состояние системы характеризуется определенным набором значений термодинамических параметров. К термодина­мическим параметрам относятся температура, давление, плот­ность, концентрация и т. п. Изменение хотя бы только одного термодинамического параметра приводит к изменению состояния системы в целом. Термодинамическое состояние системы назы­вают равновесным, если оно характеризуется постоянством тер­модинамических параметров во всех точках системы и не изменя­ется самопроизвольно (без затраты работы).

Химическая термоди­намика изучает систему в двух равновесных состояниях (конеч­ном и начальном) и на этом основании определяет возможность (или невозможность) самопроизвольного течения процесса при заданных условиях в указанном направлении. В зависимости от условий перехода системы из одного состояния в другое в термодинамике различают изотермические, изобарические, изохорические и адиабатические процессы. Пер­вые— протекают при постоянной температуре (Т = const), вто­рые— при постоянном давлении (р = const), третьи — при по­стоянном объеме (V = const), четвертые — в условиях отсутствия обмена теплотой между системой и окружающей средой (q = 0). Химические реакции часто протекают в изобарно-изотермических условиях (р = const, T = const). Такие условия соблюда­ются, когда взаимодействия между веществами осуществляются в открытых сосудах без нагревания или при более высокой, но постоянной температуре. Иногда для химических реакций соблю­даются изохорно-изотермические условия (V— const, T = const).

Внутренняя энергия системы. При переходе системы из одного состояния в другое изменяются некоторые ее свойства, в част­ности внутренняя энергия U.

Внутренняя энергия системы представляет со­бой ее полную энергию, которая складывается из кинетической и потенциальной энергий молекул, атомов, атомных ядер и элект­ронов. Внутренняя энергия включает в себя энергию поступатель­ного, вращательного и колебательного движений, а также потен­циальную энергию, обусловленную силами притяжения и оттал­кивания, действующими между молекулами, атомами и внутри­атомными частицами. Она не включает потенциальную энергию положения системы в пространстве и кинетическую энергию дви­жения системы как целого.

Внутренняя энергия является термодинамической функ­цией состояния системы. Это значит, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, ее внутренняя энергия принимает определенное присущее этому состоянию зна­чение.

∆U = U₂ – U₁

где U₁и U₂— внутренняя энергия системы в конечном и началь­ном состояниях cсоответственно.

Первый закон термодинамики. Если система обменивается с внешней средой тепловой энергией Q и механической энергией (работой) А, и при этом переходит из состояния 1 в состоянии 2, количество энергии, которое выделится или поглощается системой форм теплоты Q или работой А равно полной энергии системы при переходе из одного состояния в другое и записывается:

q=∆U + A