Фізична і колоїдна хімія Теми 9-10 (лекція)

Тема 9: 

ПЕРШИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ

Просте формулювання першого закону термодинаміки може звучати приблизно так: зміна внутрішньої енергії тієї чи іншої системи можливо виключно при зовнішньому впливі. Тобто іншими словами, щоб в системі відбулися якісь зміни необхідно докласти певних зусиль ззовні. У народній мудрості своєрідним вираженням першого закону термодинаміки можуть служити прислів’я – «під лежачий камінь вода не тече», «без праці не витягнеш рибку зі ставка», тощо. Тобто на прикладі прислів’я про рибку і працю, можна уявити, що рибка і є наша умовно закрита система, в ній не відбудеться ніяких змін (рибка сама себе не витягне зі ставка) без нашого зовнішнього впливу та участі (праці).

Цікавий факт: саме перший закон термодинаміки встановлює, чому зазнали невдачі всі численні спроби вчених, дослідників, винахідників винайти «вічний двигун», адже його існування є абсолютно неможливим згідно з цим самим законом, чому, дивіться абзац вище.

На початку нашої статті було максимального просте визначення першого закону термодинаміки, в дійсності в академічній науці існує цілих чотири формулювання суті даного закону:

• Енергія нізвідки не з’являється і ні куди не пропадає, вона лише переходить з одного виду в інший (закон збереження енергії).
• Кількість теплоти, отриманої системою, йде на здійснення її роботи проти зовнішніх сил і зміну внутрішньої енергії.
• Зміна внутрішньої енергії системи при переході її з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил і кількості теплоти, переданої системі, і не залежить від способу, яким здійснюється цей перехід.
• Зміна внутрішньої енергії неізольованою термодинамічною системою дорівнює різниці між кількістю теплоти, переданої системі, і роботою, досконалої системою над зовнішніми силами.

Формула першого закону термодинаміки

Формулу першого закону термодинаміки можна записати таким чином:

Q = ΔU + A

Кількість теплоти Q, що передається системі дорівнює сумі зміни її внутрішньої енергії ΔU і роботи A.

Процеси першого закону термодинаміки

Також перший закон термодинаміки має свої нюанси залежно від наявних термодинамічних процесів, які можуть бути ізохронними і ізобарними, і нижче ми детально опишемо кожний з них.

Перший закон термодинаміки для ізохорного процесу

Ізохорним процесом в термодинаміці називають процес, що відбувається при постійному об’ємі. Тобто, якщо будь-якому в газі або рідині нагріти речовину в посудині, відбудеться ізохорний процес, так як обсяг речовини залишиться незмінним. Ця умова має вплив і на перший закон термодинаміки, що проходить при ізохорному процесі.

У ізохорному процесі об’єм V є константою, отже, газ роботи не робить A = 0

З цього виходить наступна формула:

Q = ΔU = U (T2) – U (T1).

Тут U (T1) і U (T2) – внутрішні енергії газу в початковому і кінцевому станах. Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури (закон Джоуля). При ізохорному нагріванні тепло поглинається газом (Q> 0), і його внутрішня енергія збільшується. При охолодженні тепло віддається зовнішнім тілам (Q <0).

Перший закон термодинаміки для ізобарного процесу

Аналогічно ізобарним процесом називається термодинамічний процес, що відбувається в системі при постійному тиску і масі газу. Отже, в ізобарному процесі (p = const) робота, що здійснюються газом, виражається наступним рівнянням першого закону термодинаміки:

A = p (V2 – V1) = p ΔV.

Ізобарний перший закон термодинаміки дає:

Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p ΔV.

При ізобарному розширенні Q>0 – тепло поглинається газом, і газ здійснює позитивну роботу. При ізобарному стисненні Q

Застосування першого закону термодинаміки

Перший закон термодинаміки має практичне застосування до різних процесів у фізиці, наприклад, дозволяє обчислити ідеальні параметри газу при різноманітних теплових і механічних процесах. Крім суто практичного застосування можна цьому закону знайти застосування і філософське адже що не кажіть, але перший закон термодинаміки є виразом одного з найбільш загальних законів природи – закону збереження енергії. Ще Еклезіаст писав, що ніщо нізвідки не з’являється і нікуди не йде, все перебуває вічно, постійно трансформуючись, в цьому і криється вся суть першого закону термодинаміки.

Натисніть на посилання.

https://www.youtube.com/watch?v=mPlAFxlaL0I

Тема 10: Закони термохімії

  Незалежність теплоти хімічної реакції від шляху процесу при р = const і Т = const була висловлена в першій половині ХІХ століття Г.І.Гессом: Тепловий ефект хімічної реакції не залежить від шляху її протікання, а залежить тільки від природи і фізичного стану вихідних речовин і продуктів реакції. Закон Гесса справедливий для процесів, які протікають в ізобарно-ізотермічних або ізохорно-ізотермічних умовах при умові, що єдиним видом роботи є робота проти сил зовнішнього тиску.

Розділ хімічної термодинаміки, що вивчає теплові ефекти реакцій, називається термохімією. Якщо теплота підводиться до системи (Q_Т  0), реакцію називають ендотермічною, якщо ж теплота виділяється в навколишнє середовище (Q_Т  0), реакцію називають екзотермічною.

Термохімічні рівняння реакцій

Рівняння хімічних реакцій, в яких наведені їх теплові ефекти і агрегатний стан речовин, що приймають участь в реакціях, називаються термохімічними рівняннями. В термохімії використовують дві форми запису термохімічних рівнянь:

1. коли теплота реакції вказується в правій частині термохімічного рівняння, наприклад, С₆Н_6(р)+7О₂ = 6СО₂+3Н₂О_(р)+3267,7 кДж; тоді при Q  0 – екзотермічна реакція; при Q  0 – ендотермічна реакція;
2. коли тепловий ефект реакції записують у вигляді зміни ентальпії Н, наприклад, 2С₆Н_6(р)+15О₂ = 12СО₂+6Н₂О_(р) Н = –6535,4 кДж; тоді при Н  0 – реакція екзотермічна; при Н  0 – реакція ендотермічна.

Щоб тепловий ефект реакції був віднесений до кількості 1 моль однієї з вихідних речовин або продуктів реакції, в термохімічних рівняннях допускається використання дробових коефіцієнтів. Ентальпією (теплотою) утворення хімічної сполуки Н_Т називається зміна ентальпії в процесі одержання одного моля цієї сполуки з простих речовин, стійких при даній температурі.

Стандартний стан речовини

Стандартним станом газоподібної речовини при даній температурі є стан газу, тиск якого рівний 101 кПа, при умові, що газ має властивості, характерні для нього при тій же температурі і нескінчено малому тиску.

Стандартним станом розчиненої речовини при даній температурі буде його стан, що відповідає концентрації 1 моль/л, при умові, що розчин має властивості, якими він володів би при тій же температурі і нескінчено великому розведенні.

Стандартною ентальпією (теплотою) утворення хімічної сполуки називають зміну ентальпії в процесі утворення одного моля цієї сполуки з простих речовин, що знаходяться в стандартних станах і термодинамічно стійкі при даній температурі. Стандартні ентальпії утворення простих речовин приймають рівними нулю.

Термохімічні розрахунки

В основі більшості термохімічних розрахунків лежить наслідок із закону Гесса – тепловий ефект хімічної реакції дорівнює сумі теплот (ентальпій) утворення продуктів реакції мінус сума теплот (ентальпій) утворення вихідних речовин. При проведенні розрахунків необхідно враховувати стехіометричні коефіцієнти в рівняннях реакцій. 
Так, для реакції aА+bB = cC+dD Н = (cН_утв.(С) +dН_утв.(D))–(аН_утв.(А)+bН_утв.(В))

Ознайомтися з лекційним матеріалом. Законспектуйте основні поняття, формули та приклади. Підготуйтися до тестування. Зроблені вами стислі конспекти надішліть на Viber за номером +380997066912.