Это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы


НазваниеЭто наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы
страница1/8
Дата публикации20.04.2013
Размер0.98 Mb.
ТипДокументы
userdocs.ru > География > Документы
  1   2   3   4   5   6   7   8
Химическая термодинамика.

Термодинамика – это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы.

Основные понятия и термины:

Термодинамическая система (ТД система) – это любой объект природы, состоящий из достаточно большого числа структурных единиц, в частности молекул, отделенных от других объектов природы реальной или воображаемой границей раздела. Часть объектов природы, не входящих в систему, называются средой.

Важными характеристиками системы являются масса вещества (m) и энергия (Е).

В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой, ТД системы делятся на следующие виды:

  1. ^ Изолированные системы – системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни массой, ни энергией. (m=0, Е=0). Пример: термос.

  2. Закрытые системы - обмениваются с окружающей средой только энергией. Для них m=0, а Е0. Пример: запаянная ампула с лекарством.

  3. Открытые системы. Обмениваются с окружающей средой и m, и Е. Для них m0, Е0. Пример: живой организм.

Фаза – это часть системы с одинаковыми физическими и химическими свойствами, отделенная от других частей границей раздела, при переходе через которую свойства резко меняются. В зависимости от фазового состояния различают:

  1. ^ Гомогенные системы. Это системы, в которых все компоненты находятся в одной фазе, и в них отсутствуют границы раздела. Пример: раствор глюкозы.

  2. Гетерогенные системы. Они состоят из нескольких фаз, отделенных границей раздела. Пример: эритроциты – плазма крови.

Состояние и свойства системы определяются термодинамическими параметрами, к которым относятся температура (t), давление (р), объем (V), концентрация (с). Для газообразных систем эти параметры связаны между собой уравнением Менделеева - Клапейрона: pV=n(x)RT; n(x)=m(x)/M(x) [моль]; R=8,314 Дж/моль·К => pV=(m(x)/M(x))RT.

^ ТД параметры называются стандартными, если они определяются при стандартных условиях: Т=25 0С =298 К, р=101,3 кПа = 1 атм.

В термодинамике для определения изменения энергии системы пользуются различными энергетическими характеристиками, которые называются термодинамическими функциями состояния системы. К ТД функциям относятся:

  1. Внутренняя энергия (Е).

  2. Энтальпия (Н).

  3. Энтропия (S).

  4. Энергия Гиббса (свободная энергия) (G).

  5. Химический потенциал ().

Пусть Х - термодинамическая функция. Х1 - значение ТД функции в начальном состоянии. Х2 – значение ТД функции в конечном состоянии. Тогда Х=Х21 – изменение (приращение) ТД функции. Приращение, взятое с обратным знаком – убыль.

Х0- изменение ТД функции при стандартных параметрах.

1. Внутренняя энергия (Е).

Внутренняя энергия системы складывается из вращательного и колебательного движения всех микрочастиц системы, а также энергии их взаимодействия.

Внутренняя энергия есть функция состояния системы, приращение которой (Е) равно теплоте, поступившей в систему при изохорном процессе (V=const).

Е=Qv , где:

Qv – теплота изохорного процесса.

Е – кДж/моль.

Изменение энергии системы обусловлено теплотой, поступившей в систему и работой, совершаемой при взаимодействии системы с окружающей средой. Соотношение между этими величинами составляет содержание

первого закона (начала) термодинамики: приращение внутренней энергии системы в некотором процессе равно теплоте, поступившей в систему, плюс работа, выполненная над системой.

Е=Q+W.

В биологических системах теплота отдается в окружающую среду, а работа совершается за счет внутренней энергии. Поэтому для биологических систем математическое выражение первого начала ТД имеет вид:

-Е=-Q-W.

Закон ТД является количественным выражением всеобщего закона природы о вечности материи и движения. Впервые первый Закон ТД доказывает эквивалентность различных видов энергии. В уравнении Е – это и магнитная, и электрическая, и др. виды энергии.

Энергия в системе не создается из ничего, и не исчезает бесследно. Она обязательно связана с теплотой, поступившей в систему, и с работой, выполненной над системой. О том, что теплота и работа являются эквивалентными формами энергии доказано трудами ряда ученых.

2. Энтальпия (Н).

Энтальпия – это часть внутренней энергии системы, которая может совершить полезную работу.

Из математической записи первого закона ТД выразим теплоту (Q):

Q=Е–W;

Теплота расширения в изобарном процессе (р=const), выражается как:

W=-pV, где:

V – изменение объема системы; V=V2-V1;

Qp =Е+pV =(Е2+pV2) –(Е1+pV1), где:

Qp – теплота изобарного процесса при p=const;

Е+pV=Н, т.е. энтальпия, => Qp 2–Н1=Н, т.о. Н=Qp.

Энтальпия – это функция состояния системы, приращение которой равно теплоте, поступившей в систему, в изобарном процессе.

Т.к. Н=Qp, => Н=Е+pV, [кДж моль-1].

Данное уравнение связывает приращение энтпльпии и внутренней энергии системы.

Для эндотермического процесса Н>0, а для экзотермического процесса Н<0.

3. Энтропия (S).

Энтропия – функция состояния системы, приращение которой (S) равно минимальной теплоте (Q), поступившей в систему в обратимом изотермическом процессе, деленной на абсолютную температуру (T), при которой совершается этот процесс.

Изотермическим называется процесс, протекающий при постоянной Т (Т=const).

S=Qmin/T, где:

S [Дж·моль-1·К-1 ].

Энтропия связана с вероятностью состояния системы уравнением Больцмана:

S=KБln, где:

КБ – постоянная Больцмана=R/N= 1,38 10-23 Дж К-1;

 - вероятность состояния системы. Это число микросостояний, которым может быть реализовано данное макросостояние.

При абсолютном нуле прекращается колебательные движения частиц в узлах кристаллической решетки, и макросостояние кристалла при этом обусловлено одним вариантом расположения частиц, т. е. =1 =>

S=КБln1, а т.к. ln1=0, то S=0.

^ Ростом энтропии сопровождаются такие самопроизвольные процессы, как испарение жидкости, таяние льда, растворение веществ в растворителях, т.е. процессы, которые приводят к увеличению беспорядка в системе.

^ Снижением энтропии сопровождаются кристаллизация веществ, реакции полимеризации, поликонденсации, т.е. процессы, которые приводят к увеличению упорядоченности в системе.

Т.о. энтропия является мерой неупорядоченности системы.

4. Энергия Гиббса. (G).

Энергия Гиббса – это часть потенциальной энергии реагирующих веществ, которая может быть использована для осуществления полезной работы.

При протекании изобарно – изотермических процессов (p и t = const) приращение энергии Гиббса (G) выражают следующим уравнением: G=Н–ТS [кДж моль-1].

Анализ уравнения:

  1. ^ Энтальпийный фактор.

Определяет стремление системы снизить свою энергию за счет образования сложных частиц из более простых, при этом совершается полезная работа.

  1. ^ Энтропийный фактор.

Определяет стремление системы к хаотичному, неупорядоченному состоянию, за счет распада сложных частиц на более простые и распределению их по всему объему системы.

Величина G служит критерием возможности самопроизвольного протекания процессов.

Процесс протекает самопроизвольно, если G<0.

При G>0, процесс самопроизвольно не протекает.

Если G=0, то в системе установилось состояние равновесия.

Влияние энтальпийно–энтропийного факторов на величину G при разных температурах.

  1. При Н>0, S>0, процесс протекает самопроизвольно только при высоких температурах.

  2. При Н>0, S<0, процесс самопроизвольно не протекает ни при каких температурах.

  3. При Н<0, S>0, процесс самопроизвольно протекает при любых температурах.

  4. При Н<0, S<0, процесс самопроизвольно протекает только при низких температурах.

Процессы, при протекании которых энергия Гиббса снижается (G<0) и совершается полезная работа, называются экзергоническими.

Процессы, при протекании которых энергия Гиббса увеличивается (G>0) и совершается работа, называются эндергоническими.

5. Химический потенциал ().

Химический потенциал какого–либо вещества в системе равен отношению энергии Гиббса (G) к количеству вещества (n).

=G(x)/n(x), отсюда

G(x)=n(x)(x).

Если система состоит из нескольких веществ х1, х2, х3 и т.д., то химический потенциал (), через который выражается G, в математическом выражении записывается:

G=n(x1)(x1)+ n(x2)(x2)+ n(x3)(x3).

Для вещества, находящегося в растворе,  зависит от концентрации раствора и природы растворителя. Эта зависимость носит логарифмический характер и выражается уравнением:

 (x) =  0(x) + RT ln c (x), где:

(x) – химический потенциал, [Дж моль-1];

0(x) – стандартный химический потенциал. Определяется при стандартных параметрах, т.е. при Т=298, р=101,3 Па и с(х)=1 моль·дм-3;

Ln – натуральный логарифм, при е=2,7183;

С(х) – концентрация вещества [моль дм-3];

С увеличением концентрации вещества в системе  увеличивается.

Химический потенциал используется для расчета энергии Гиббса системы, которая складывается из сумм энергий Гиббса компонентов ее составляющих.
  1   2   3   4   5   6   7   8

Похожие:

Это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы iconЗакон сохранения массы
Химия это наука, изучающая вещества, их состав, строение, свойства и взаимные превращения
Это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы iconРазвитие энергетики и состояние окружающей среды. Виды источников энергии
Рост энергопотребления неразрывно связан с использованием различных видов энергии, получаемой от природных источников, называемых...
Это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы icon1. Техническая термодинамика. Определение. Общие сведения. Термодинамика —
Термодинамика — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии
Это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы iconОбмен и баланс энергии в организме и их регуляция. Характеристика...
Обмен энергии тесно связан с обменом веществ. При этом справедлив закон сохранения и превращения энергии. Энергия пищевых веществ...
Это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы iconОбщая часть
Электрические станции предназначены для преобразования различных видов энергии в электрическую энергию. По роду первичной энергии,...
Это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы iconОсновные понятия о технологическом процессе изготовления рэс
Технология наука о закономерностях превращения материалов, полуфабрикатов, энергии в готовое изделие, о путях рационального использования...
Это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы iconЗакон термодинамики примениние закона для изобарно-изотермических процессов
Хим. Термодинамика-часть термодинамики,которая рассматривает превращения энергии и работы при химических реакциях
Это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы iconПсихической Энергии Хугаева Лейла Романовна, isbn 978-5-905691-18-8...
От субстанций Духа и Материи к разделению космоса на Контрольный Ток Психической Энергии и Детерминированные Энергии природы
Это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы icon1. у тебя нет двух энергий. Все твои энергии суть проявления одной....
Явления этой единой энергии, которая в свою очередь трансформируется в тот или иной вид энергии. Весь спектр того, что внутри вас...
Это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы icon1. у тебя нет двух энергий. Все твои энергии суть проявления одной....
Вления этой единой энергии, которая в свою очередь трансформируется в тот или иной вид энергии. Весь спектр того, что внутри вас...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница