Министерство образования и науки РФ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)
Кафедра «Инженерная экология и химия»
Хомич В.А.
ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
Омск Издательство СибАДИ
2009
УДК 541.1
ББК 24.5
Х 76
Рецензент Л.Н.Котова, канд. хим. наук, доц. ОГПУ.
Работа одобрена методической комиссией факультета АДМ в качестве курса лекций по физической химии для студентов 2 курса специальности 280202 «Инженерная защита окружающей среды».
Хомич В.А.
Основы химическая термодинамика: Курс лекций для студентов специальности
280202. – Омск, 2009. – 40 с.
Курс лекций включает основные вопросы химической термодинамики: первый и второй законы термодинамики, термохимия, термодинамика агрегатных превращений, термодинамические потенциалы. Изложение теоретического материала сопровождается примерами решения практических задач. Приводятся контрольные вопросы для самопроверки знаний по разделу дисциплины физической химии «Химическая термодинамика».
Табл. 3. Библиогр.: 2 назв.
Издательство СибАДИ, 2009
2
Л е к ц и я 1
ВВЕДЕНИЕ
План лекции: Определение дисциплины. Основные понятия и определения химической термодинамики: система; закрытая, открытая и изолированная системы; термодинамические параметры состояние системы; интенсивные и экстенсивные параметры; термодинамический процесс; круговой (циклический) процесс; обратимый и необратимый процесс; функция состояния системы; равновесное и неравновесное состояния системы.
Термодинамика изучает законы взаимных превращений различных видов энергии, связанных с переходами энергии между телами в форме теплоты и работы. Обычно она изучает только макроскопические системы.
Химическая термодинамика изучает изменение энергии в результате процессов в системе, приводящих к изменению её состава и физико-химических свойств.
Химическая термодинамика - это общенаучная дисциплина, которая представляет важнейший раздел физической химии. Химическая термодинамика - базовая дисциплина для студентов химико-технологических специальностей. Она дает знания, необходимые для глубокого изучения общенаучных дисциплин (физической, аналитической и коллоидной химии), а также специальных дисциплин.
Объектами изучения химической термодинамики являются тепловые балансы физико-химических процессов, фазовые и химические равновесия.
В результате изучения химической термодинамики студент должен знать: первый закон термодинамики; взаимосвязь теплоты, работы и изменения внутренней энергии в различных термодинамических процессах; законы Гесса и Кирхгофа, их применение для расчетов тепловых эффектов; второй закон термодинамики, его статистический характер; применение энтропии и термодинамических потенциалов как критериев равновесия и направления самопроизвольных процессов.
Изучив химическую термодинамику, студент должен уметь: грамотно применять представления, законы и методы химической
3
термодинамики для изучения закономерностей протекания и равновесия химических и физико-химических процессов; самостоятельно выполнять физико-химические расчеты; применять знания химической термодинамики при решении инженерных и технологических задач в процессе последующего обучения и в своей будущей профессиональной деятельности инженера химикатехнолога.
Рассмотрим основные понятия и определения химической термодинамики.
Термодинамическая система – это любой изучаемый макроскопический материальный объект, отделённый от внешней (окружающей) среды реальной или воображаемой границей.
Типы термодинамических систем:
а) закрытая (замкнутая) система отличается постоянством общей массы, она не обменивается с внешней средой веществом. Обмен энергией в форме теплоты, излучения или работы возможен; б) открытая система обменивается энергией и веществом с
внешней средой; в) изолированная система не обменивается энергией (теплотой
или работой) и веществом с внешней средой и имеет постоянный объём;
г) адиабатически-изолированная система лишена возможности только теплообмена с внешней средой, она может быть связана с внешней средой работой получаемой от неё и совершаемой над ней.
Параметры состояния системы – это любые измеряемые макроскопические характеристики состояния системы. Различают:
-интенсивные параметры – параметры, не зависящие от массы (температура T, давление р).
-экстенсивные параметры (ёмкостные) – параметры пропорциональные массе вещества (объем V, теплоемкость C, масса m). Экстенсивные параметры станут интенсивными, если их отнести к единице массы вещества (удельный объем Vуд, плотность).
Термодинамический процесс – это всякое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного из термодинамических параметров. Изменение вследствие химического превращения называется химической реакцией.
Виды процессов:
1.T = const – изотермический или изотермный.
2.P = const – изобарический или изобарный.
4
3.V = const – изохорический или изохорный.
4.Q = const – адиабатический или адиабатный.
Круговым (циклическим ) процессом или циклом называется процесс, в течение которого система изменяла свои свойства и в конце которого вернулась к исходному состоянию.
Обратимый процесс – это идеальное понятие. Он протекает как в прямом так и в обратном направлении без изменения работоспособности системы. Обратимый процесс протекает бесконечно медленно через одну и ту же последовательность состояния равновесия в обоих направлениях, чтобы после возвращения системы в первоначальное состояние ни в окружающей среде, ни в самой системе не было никаких изменений. В обратимых процессах совершается максимальная работа.
При необратимом процессе возвращение системы в исходное состояние связано с изменением состояния внешней среды. Поэтому затрата работы на обратный процесс (возвращение в исходное состояние) значительно больше работы прямого процесса..
Функция состояния системы – это параметр, изменение которого зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути процесса (внутренняя энергия U, энтальпия H, энергия Гиббса G, энергия Гельмгольца F, энтропия S, химический потенциал μ).
Равновесное состояние системы – это состояние, при котором термодинамические параметры не изменяются со временем и сохраняют одинаковые значения в каждой фазе; при этом энергия системы минимальна.
Неравновесное состояние системы – это состояние, при котором термодинамические параметры изменяются со временем.
Л е к ц и я 2
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
План лекции: Термодинамическое определение внутренней энергии, энтальпии, теплоты и работы. Функции состояния и функции процесса. Формулировки первого закона термодинамики.
5