TERMODYNAMIKA CHEMICZNA I TERMOCHEMIA 3.12 (6.12).doc

(117 KB) Pobierz
TERMODYNAMIKA CHEMICZNA I TERMOCHEMIA

TERMODYNAMIKA CHEMICZNA I TERMOCHEMIA

 

  Termodynamika zajmuje się badaniem energii i jej przemian.

 

  Termodynamika chemiczna zajmuje się efektami energetycznymi reakcji chemicznych i towarzyszących im przemian fizycznych, jak np. topnienie, parowanie, rozpuszczanie itp.

 

Termochemia opisuje efekty cieplne przemian fizykochemicznych zachodzących w układzie.

 

  Układem nazywa się wyodrębnioną ilość materii (fragment rzeczywistości) poddany obserwacji bądź rozważaniom teoretycznym. Może to być jedna lub wiele substancji prostych lub złożonych, występujących w różnych stanach skupienia. Poza układem istnieje jego otoczenie.

 

 

 

   Układ charakteryzuje się za pomocą parametrów stanu układu.

Parametry ekstensywne – addytywne (wielkość parametru dla całego układu jest sumą jego wielkości dla poszczególnych  składników układu), zależne od ilości i rodzaju składników, wielkości układu,

np. masa lub objętość;

Parametry intensywne – nie są addytywne, np. temperatura, ciśnienie, gęstość, wielkości molowe.

 

    Sposoby przekazywania energii:   

 

¨ na sposób pracy (jako praca) W   (praca mechaniczna-zmiany objętości, odkształcenia, praca zmiany  powierzchni, elektryczna)  

 

¨ na sposób ciepła (jako ciepło) Q

 

 

 

 

Oddziaływanie układu z otoczeniem -

wymiana materii i energii

   Otoczenie

Układ

       Otoczenie

         

 





 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Otwarty                                                                     Zamknięty

 

wymienia z otoczeniem energię i masę                        wymienia z otoczeniem tylko energię

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Ciśnienie  p, objętość  V   i temperatura T  są  wystarczające do całkowitego scharakteryzowanie stanu układu. Równanie stanu:

                            

                                                            f (p,V,T) = 0

!

               

               dla gazu doskonałego:       pV = nRT

 

„Zerowa” zasada termodynamiki:             

Dwa ciała, które osiągnęły stan równowagi cieplnej mają taką samą temperaturę, a ciepło nie jest już między nimi wymieniane.

 

   Jeżeli ciało A pozostaje w równowadze termicznej z ciałem B i z ciałem C, to ciała B i C   

   także pozostają w równowadze termicznej (cieplnej).

 

Energia wewnętrzna układu  U: suma wszystkich rodzajów energii występujących wewnątrz układu. W praktyce nie można wyznaczyć jej bezwzględnej wartości, a tylko jej zmiany DU.

 

!

I zasada termodynamiki (zasada zachowania energii):

    W układzie zamkniętym suma energii jest stała i niezależna od przemian zachodzących w tym układzie.

 

       Wzrost energii wewnętrznej układu musi być sumą ilości ciepła doprowadzonego do układu i pracy wykonanej przez układ:

DU = Q  + W

 

     

                                                                     

 

         Energia wewnętrzna układu jest wielkością charakterystyczną dla danego stanu układu, jej wartość nie zależy od drogi przemiany, której ulega układ, lecz tylko od stanu początkowego i końcowego układu. Taką właściwość posiadają funkcje stanu układu - energia wewnętrzna jest funkcją stanu układu:

DU = U2 – U1

                                                

 

Ciepło i praca zależą od drogi przemiany, nie są więc funkcjami stanu układu.

 

Elementarnie małe zmiany energii wewnętrznej układu będą określane równaniem:

 

                                       dU  = Q  +  W

 

   W myśl przyjętej konwencji, gdy ciepło zostaje oddane z układu do otoczenia (proces egzotermiczny) piszemy – Q; gdy układ pobiera ciepło z otoczenia (proces endotermiczny) – zaznaczamy +Q. Takie samo znakowanie stosuje się do pracy:  – W - układ wykonuje pracę,  +W - do układu dostarczona jest energia na sposób pracy.

 

 

 

 

 

 

Konsekwencje I zasady termodynamiki:

 

  Jeżeli w układzie mamy do czynienia tylko z pracą zmiany objętości (np. przy sprężaniu gazu w cylindrze), to:

 

w procesie izobarycznym  (p=const):

W =  –  p DV   

DU = Qp – p DV

 

                                                     stąd:            

                          

 

Qp  - ciepło przemiany izobarycznej

 

 

w procesie izohorycznym (V=const):  

DU = QV  

W = 0

                                       

                                                 stąd:        

 

 

QV  - ciepło przemiany izohorycznej.

Dla przemiany izobarycznej:      

Qp = DU + p DV  = (U2 + pV2) - (U1 + pV1) 

 

                            

                     

                          

Qp = H2  - H1 = DH   

U + pV  = H  



    



jeżeli:                                           entalpia       to:      

 

Entalpia (lub zawartość cieplna układu) jest również funkcją stanu układu.

Powyższe równania można zapisać jako stwierdzenia:

 

I.                Ciepło przemiany (reakcji) zachodzącej w stałej objętości jest równe zmianie energii wewnętrznej układu.

II.            Ciepło przemiany (reakcji) zachodzącej pod stałym ciśnieniem jest równe zmianie entalpii układu.     

                        

Ponadto:                                       

 

Qp - QV = p DV

 

 

 

Różnica między D H i  DU dla przemiany izobarycznej zależy od wartości tego ciśnienia i od zmiany objętości następującej podczas przemiany (reakcji). W fazie stałej lub ciekłej zmiany objętości są bardzo małe, więc: 

                                

                          – p DV ~ 0      oraz     DH ~ DU   i   Qp ~ QV

 

Bezpośrednia wartość entalpii, podobnie jak energii wewnętrznej nie może być wyznaczona.

  Oznacza się zmianę entalpii DH przyjmując pewien umowny układ odniesienia, zgodnie z którym entalpia substancji prostych w temp. 298K (25st C) i pod ciśnieniem 1,013 x105 N/m2 (czyli 1013 hPa) jest równa zero.

   Zmiana entalpii towarzysząca powstawaniu 1 mola związku chemicznego z pierwiastków nazywa się entalpią tworzenia DHtw , a dla warunków standardowych  - standardową entalpią tworzenia DHtwo .

!

Prawo Lavoisiera-Laplace`a:         

  Zmiana energii wewnętrznej lub entalpii układu podczas rozkładu związku chemicznego na pierwiastki równa się zmianie tych wielkości podczas tworzenia tego związku użytych ze znakiem przeciwnym.

 

Prawo Hessa:

    Efekt cieplny reakcji chemicznej nie zależy od drogi na jakiej była ona prowadzona, a tylko od stanu początkowego i końcowego układu, pod warunkiem, że wszystkie jej etapy będą izohoryczne lub izobaryczne, a praca nieobjętościowa będzie równa zero.

 

  Prawo to pozwala obliczać efekty cieplne reakcji  i przemian chemicznych według zależności:

 

      DHo  =  S ni (DHtwo )i  -    S ni (DHtwo )i

                             prod                                    substr   ...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin