Перший закон термодинаміки

Основи хімічної термодинаміки

Хімічна термодинаміка – це розділ фізичної хімії, що вивчає перетворення енергії в хімічних процесах та енергетичні характеристики різних речовин.

Основні поняття хімічної термодинаміки:

· термодинамічна система;

· фаза;

· стан системи;

· параметри стану системи;

· термодинамічний процес.

 

Термодинамічна система – будь-яке тіло чи сукупність тіл, що знаходяться у взаємодії і фактично або уявно виділені з навколишнього середовища. Вони здатні обмінюватися між собою та з іншими тілами енергією й речовиною.

           
 
   
Не обмінюється речовиною, але обмінюється енергією, маса такої системи постійна
   
Обмінюються речовиною та енергією із зовнішнім середовищем
 

 

 


Складається з однієї фази

       
 
Складається з однієї фази
 
Складається з декількох фаз

 


Сукупність всіх фізичних та хімічних властивостей системи називають станом системи. Стан системи характеризують термодинамічними параметрами.

Інтенсивні властивості – це властивості, які не залежать від маси і які вирівнюються при контакті систем (температура, тиск, молярні теплоємності, хімічний потенціал).

Екстенсивні – це властивості системи, які залежать від маси (об’єм, маса, теплоємність, внутрішня енергія, ентальпія, ентропія, термодинамічні потенціали). Екстенсивна властивість системи в цілому дорівнює сумі відповідних екстенсивних властивостей складових частин, що входять до даної системи.

Основні параметри стану – це параметри, які піддаються безпосередньому виміру:

Ø об’єм ( );

Ø тиск ( );

Ø температура ( );

Ø концентрація (С).

Функції стану– це параметри стану, які не піддаються безпосередньому виміру (внутрішня енергія, ентальпія, ентропія, термодинамічні потенціали).

Всі процеси, що зустрічаються у природі, можна поділити на: самодовільні (природні) та несамодовільні.). Несамодовільні процеси потребують витрат енергії (наприклад, розділення суміші газів на складові компоненти).

 

 

Процес
Потребують витрат енергії (наприклад, розділення суміші газів на складові компоненти).  
Не потребують витрат енергії зовні (наприклад, перехід теплоти від більш нагрітого тіла до менш нагрітого тіла.

 

Види енергій

Внутрішня енергія ( ) –кількісна характеристика, яка характеризує загальний запас всіх видів енергії: поступального, обертального руху молекул, коливального руху атомів у молекулах, енергії міжмолекулярної взаємодії, внутрішньомолекулярної або хімічної енергії, енергії електронного збудження, внутрішньоядерної енергії тощо.

Uабс виміряти неможливо, але можна визначити її зміну: .

не залежить від того, як відбувається процес, а залежить від початкового та кінцевого станів системи.

Макроенергія системи– це сума кінетичної та потенціальної енергій.

Загальна енергія системи – це кінетична, потенціальна та внутрішня енергії разом.

Ентальпія(Н)– це повний енергетичний запас системи, якщо Р = const.

 
.
Як і у випадку внутрішньої енергії, в термодинаміці оперують величиною :

.

Перший закон термодинаміки

Він має декілька визначень, пов’язаних між собою:

· Якщо система не обмінюється енергією з навколишнім середовищем (ізольована система), то її внутрішня енергія залишається сталою величиною. Це положення відоме як закон збереження енергії.

· Неможливо створити вічний двигун першого роду, тобто машину, що створює роботу без витрати енергії.

· Енергія не зникає безслідно й не виникає з нічого, перехід її з одного виду на інший відбувається в строго еквівалентних співвідношеннях.

· Теплота( ), одержана із зовнішнього середовища, перетворюється в роботу ( ), створену системою, і викликає приріст внутрішньої енергії системи ( ):

 
 


.

Залежно від того, які параметри системи будуть сталими, перший закон термодинаміки матиме різний вигляд.

При (ізотермічний процес) DU = 0. Уся теплота цілком переходить в роботу розширення:

 
 


.

 

При (ізохорний процесі) об’єм системи сталий, тому Арозширення = 0. Уся теплота витрачається на збільшення внутрішньої енергії системи:

 
 


.

При (ізобарний процес) кількість теплоти є мірою зміни ентальпії:

 
 


.