Энергетика химических процессов

Любой химический процесс сопровождается тем или иным энергетическим эффектом: выделением или поглощением теплоты, света, выполнением электрической или механической работы.

Знание энергетических эффектов химических реакций необходимо не только химикам, но и военным инженерам при решении специфических прикладных задач.

Раздел химии, в котором изучаются энергетические эффекты химических реакций, их зависимость от химического состава, строения, состояния веществ и от условий проведения процессов, называется термохимией. Термохимия является составной частью химической термодинамики — области физической химии, в которой на основе законов общей термодинамики изучаются тепловые балансы химических реакций в различных условиях, устанавливаются возможность и направление химических процессов. С помощью химической термодинамики выводятся законы химического и фазового равновесия и смещение этих равновесий в зависимости от изменения параметров состояния: температуры, давления, концентрации и др.

Для более глубокого понимания химической термодинамики необходимо рассмотреть ряд основных понятий этой науки.

Основные понятия и определения химической термодинамики

Объект исследования в термодинамике называется системой. Термодинамической системой может быть любой объект (тело или группа тел, находящихся во взаимодействии, колба с раствором вещества, штатив с набором химических реактивов и т. п.), выделенный из окружающей среды с помощью реально существующей или воображаемой поверхности раздела.

Термодинамическая система — комплекс взаимодействующих между собой физических тел, реально или мысленно обособленный от окружающей среды (рис. 8.1).

Для системы физическая граница необязательна. Систему можно мысленно обосабливать от окружающей среды. Система может состоять как из однородных частей, одинаковых по физическим и химическим свойствам, так и неоднородных.

Рис. 8.7. Схематическое изображение понятия термодинамической системы

Совокупность всех однородных частей системы, одинаковых по физическим и химическим свойствам и отграниченных от других частей системы поверхностью раздела, называют фазой.

Различают системы однофазные (гомогенные) и многофазные (гетерогенные) (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Виды термодинамических систем

Гомогенная система — система, состоящая из одной фазы. Это однородная система. Интенсивные свойства такой системы одинаковы во всех ее частях.

Гомогенной может быть система, состоящая из газообразных веществ. Жидкофазная система тоже может быть гомогенной.

Гетерогенная система — система, состоящая из двух или более фаз. Между фазами имеется поверхность (граница) раздела. Это неоднородная система. Хотя бы одно интенсивное свойство (например, вязкость) изменяется скачком.

Примерами гетерогенной системы могут быть две несмешиваемые жидкости, находящиеся в колбе, или кусочек металла, опущенный в раствор соляной кислоты.

Химические реакции, происходящие в гомогенных системах, называются гомогенными реакциями, а реакции, в которых взаимодействующие вещества содержатся в разных фазах, — гетерогенными реакциями.

Так, реакции, протекающие в растворах, являются гомогенными, так как все реагирующие вещества и конечные продукты составляют одну фазу.

Например, HCl(p-p) + NaOH(p-p) —> NaCl(p-p) + Н₂0(ж.).

При гетерогенной реакции реагенты и продукты находятся в различных фазах: Zn(TB.) + 2НС1(ж.) —> гпС1₂(ж.) + Н₂(газ).

Термодинамическая система, соприкасаясь с окружающей средой, может через поверхность раздела обмениваться с ней энергией и веществом или не обмениваться. В этом отношении различают изолированные и неизолированные системы.

Изолированные системы — это системы, у которых через поверхность раздела не может происходить обмен с внешней средой ни энергией, ни веществом.

То есть изолированной называют систему, имеющую, в частности, постоянный объем и лишенную возможности обмениваться с окружающей средой как веществом, так и энергией. Например, колба с водой, закрытая пробкой, и температура воды такая, как и у окружающей среды (система будет изолированной).

Неизолированные системы могут быть закрытыми и открытыми:

— закрытые неизолированные — такие системы, в которых через поверхность раздела может проходить обмен с внешней средой только энергией. Веществом система не обменивается;
— открытые неизолированные — такие системы, в которых через поверхность раздела происходит обмен с внешней средой веществом и энергией.

Состояние системы определяет совокупность ее химических и физических свойств и описывается с помощью ряда переменных величин — параметров состояния (Р — давление, т — масса, Т — температура, С — концентрация, Е — энергия и т. д.). С помощью параметров состояния можно вывести другие переменные величины, которые называют термодинамическими функциями (U — внутренняя энергия, Н — энтальпия, S — энтропия, G — энергия Гиббса, F — энергия Гельмгольца).

Это значит, что любая термодинамическая система характеризуется, с одной стороны, параметрами состояния, а с другой — термодинамическими функциями.

Параметры состояния — термодинамические параметры — независимые термодинамические переменные: P,T,V и т. д.

Термодинамические функции — функции состояния — величины, зависящие от термодинамических параметров состояния и не зависящие от пути перехода системы из одного состояния в другое (L7, Н, S, G, F).

Если система находится при Т-const, то она является изотермической, при P-const — система изобарная, при У-const — система изохорная. Если две величины постоянные (Г-const и P-const) — система является изобарно-изотермической.

Соответственно классифицируются и процессы:

— изотермические — процессы, протекающие при постоянной температуре;
— изобарные — процессы, происходящие при постоянном давлении;
— изохорные — процессы, происходящие при постоянном объеме.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Назовите области исследования в термохимии и химической термодинамике.
2. Дайте определение термодинамической системы.
3. Что называется фазой?
4. Охарактеризуйте виды термодинамических систем.
5. Назовите параметры состояния и термодинамические функции.