Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Первый закон термодинамики и его применение к химическим процессам

2.1. Первый закон термодинамики

Этот закон представляет собой ни что иное, как следствие из закона сохранения энергии. В частности: в изолированной системе сумма всех видов энергии постоянна.

С учетом эквивалентности энергии. теплоты и работы следует невозмож-ность построения вечного двигателя первого рода, т.е. двигателя, который не потреблял бы тепло извне, при этом непрерывно производя работу.

Всякая система, независимо от того, в каком состоянии она находится, всегда обладает определенным запасом энергии, которая называется внутренней энергией системы. Внутренняя энергия складывается из энергии движения электронов, атомов, молекул, межмолекулярного взаимодействия, внутриядерной энергии, т.е. в нее входят все виды энергии за исключением потенциальной и кинетической энергии системы в целом. Точно измерить внутреннюю энергию системы практически невозможно. Поэтому обычно измеряют и сравнивают не всю энергию системы, а увеличение или уменьшение ее при различных процессах.

Если обозначить через Q тепло поглощаемое системой, ∆U – изменение внутренней энергии, А - работу, производимую системой, то первый закон термодинамики выразится уравнением Q = ∆U + А или в дифференциаль-ной форме δQ = dU + δА (δ и d означают частный и полный дифферен-циал, соответственно). Из всех трех величин только U является функцией параметров состояния, в частности температуры и природы веществ, входящих в систему. Примером реализации написанного уравнения может служить поднятие груза с находящимся в цилиндре газом, при подводе тепла извне. Подводимое тепло расходуется на изменение внутренней энергии газа и совершение работы по поднятию груза за счет расширения газа.

По аналогии, любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением тепла, которое расходуется на изменение внутренней энергии участвующих в процессе веществ и совершение работы против сил внешнего давления, связанных с изменением объемных характеристик этих же веществ.

Анализ первого закона термодинамики в приложении к различного рода процессам показывает следующее:

1) Круговой процесс – совершив работу система возвращается в исходное состояние. В этом случае ∆U = 0, т.к. U₁ = U₂. Следовательно ∆Q = ∆А, т.е. подводимое к системе тепло расходуется на совершение системой работы.

2) Изохорный процесс - протекает при постоянном объеме. Следовательно, ∆V = 0 и А = 0, а ∆U = ∆Q. Тепло, подводимое к системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии. Перейдя к интегральной форме, можно записать для кругового процесса: .

В математике доказывается, что если интеграл по замкнутому пути от некоторого выражения является полным дифференциалом некоторой величины, это означает, что изменение внутренней энергии является полным дифференциалом, а теплота и работа в круговом процессе не являются таковыми и их изменение, соответственно, будет зависеть от пути, по которому перешла система из одного состояния в другое. Для конечных величин

∆U = Q_V (для изохорных процессов).

3) Изобарный процесс - протекает при постоянном давлении.

Q_P = ∆U + Р∆V, δQ_P = dU + Р∆V

Q_P = U₂ - U₁ + Р(V₂ - V₁)

∆Q_P = (U₂ + РV₂) - (U₁ + РV₁)

Введем функцию, определяемую тождеством Н = U + РV. Функция Н называется э н т а л ь п и е й (теплосодержанием) и является функцией состояния, т.к. U, Р, V суть функции состояния, определяемые природой и температурой и ее изменение будет зависеть от пути перехода системы из одного состояния в другое. В общем случае дифференциал этой функции

dH = dU + VdP. Таким образом, при изобарном процессе ∆Q = Н₂ - Н₁ или

∆Q_P = -(Н₁ - Н₂) = - ∆Н. Для конечных величин Q = - ∆Н. Если рассматривать химическую реакцию, то изменение энтальпии есть ни что иное, как тепло, выделяемое или поглощаемое в процессе реакции, протекающей при постоянном давлении.