Теплота. Работа. Первое начало термодинамики

 

Все изменения внутренней энергии при ее переходе от одной системы к другой можно разбить на две группы.

В первую группу входят формы перехода энергии за счет хаотического столкновения молекул двух контактирующих тел. Мерой энергии, передаваемой таким способом, является теплота.

Во вторую группу входят формы перехода энергии при перемещении масс, состоящих из большого числа частиц, под действием каких-либо сил. Сюда относятся поднятие тел в поле тяготения, переход электричества от большего потенциала к меньшему, расширение газа и т. д. Общей мерой энергии, передаваемой таким способом, является работа, которая определяется как произведение величины пути, прошедшего системой под действием силы, на величину этой силы.

Рис. 10

р·S - сила, действующая на поршень со стороны газа, где р - давление газа на поршень; S - площадь поршня.

Если поршень совершает бесконечно малое перемещение, то газ при этом совершает элементарную работу:

 

δ А = рSdH = рdV. (9)

 

Работа, совершаемая системой при переходе из состояния 1 в состояние 2, будет определяться следующей формулой:

, (10)

где V₁, V₂ - объемы, соответствующие начальному и конечному состояниям.

 

Рис. 11

 

Совершаемая работа будет равна площади V₁, V₂, которая зависит от пути перехода из состояния 1 в состояние 2. Поэтому о работе нельзя говорить, как о свойстве системы, т.е. системе нельзя приписать определенный запас работы. Работа является мерой изменения энергии при переходе системы из одного состояния в другое.

Теплотой называется форма непосредственной передачи энергии молекулами одной системы молекулам другой при их контакте. Мерой энергии, переданной таким способом в форме теплоты, является количество теплоты.

Теплота, как и работа, зависит от способа перехода системы из одного состояния в другое, т.е. и работа, и теплота не являются функциями состояния, а являются функциями процесса.

Теплота и работа являются качественно неравноценными формами передачи энергии.

Во-первых, в форме работы передается энергия упорядоченного движения, а в форме теплоты - энергия хаотического движения.

Во-вторых, передача энергии в форме работы может привести к изменению любого вида энергии системы, а в форме теплоты - только внутренней энергии.

Взаимосвязь между внутренней энергией, работой и теплотой устанавливается на основе первого начала термодинамики:

1. В любой изолированной системе запас энергии остается постоянным.

2. Вечный двигатель первого рода невозможен, т. е. невозможно построить машину, которая бы производила механическую работу, не затрачивая на это соответствующего количества энергии.

3. Внутренняя энергия является функцией состояния.

Изменение внутренней энергии DU может происходить за счет обмена системы теплотой Q и работой А с внешней средой. Условились считать положительной теплоту, полученную системой, и работу, совершенную системой. Тогда полученная системой извне теплота Q расходуется на приращение внутренней энергии DU и на совершение системой работы А

 

Q = Δ U + A(11)

δ Q = dU + δ A, (12)

 

где dU - полный дифференциал внутренней энергии системы; dQ и dА - элементарное количество теплоты и работы соответственно.

ЛЕкция 7

Энтальпия. Закон Гесса

 

Энтальпия. Закон Гесса. Тепловой эффект химической

Реакции

Примем, что единственным видом работы, которую совершает система, является работа расширения. В этом случае первое начало термодинамики примет вид

 

δ Q = dU + pdV. (13)

При V = const, dV = 0 и интегрирование уравнения (13) дает соотношение

Q_V = U₂ – U₁ = Δ U, (14)

 

т.е. теплота изохорного процесса равна приращению внутренней энергии во время этого процесса.

При р = const после интегрирования уравнения (13) получим

 

Q_p = (U₂ + pV₂) – (U₁ + pV₁); (15)

 

H = U + pV. (16)

 

Величина Н, определяемая формулой (16), получила название энтальпии (теплосодержания). Энтальпия является мерой энергии, накапливаемой веществом при его образовании. Энтальпия является функцией состояния, поскольку определяется через функции состояния U, р и V.

Используя введенную величину, выражение (15) можно переписать в следующем виде:

 

Q_n = H₂ – H₁ = Δ H, (17)

 

т.е. теплота изобарного процесса равна приращению энтальпии системы во время этого процесса.

Для бесконечно малых величин выражения (14) и (17) будут иметь следующий вид:

δ Q_v = dU, δ Q_p = dH. (18)

 

Теплота процесса приобретает свойство функции состояния, т. е. она не зависит от пути процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями системы. Это утверждение, сформулированное в 1840г. русским академиком Гессом, получило название закона Гесса или закона постоянства сумм тепловых эффектов.

Тепловым эффектом химической реакции называется количество теплоты, которое выделяется или поглощается при необратимом протекании реакции, когда единственным видом работы является работа расширения.

Тепловой эффект выражают в кДж и относят к тому числу молей вещества, которое определено уравнением реакции.

Тепловой эффект химической реакции при постоянном объеме равен приращению внутренней энергии системы во время этой реакции; тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении равен приращению энтальпии системы во время этой реакции

 

Q_v = dU, Q_p = dH. (19)

При этом тепловой эффект эндотермической реакции (реакции, протекающей с поглощением теплоты) условились считать положительным, а тепловой эффект экзотермической реакции (реакции, протекающей с выделением теплоты) - отрицательным.

Закон Гесса представляет собой интерпретацию первого закона термодинамики применительно к химическим и физико-химическим процессам. Он позволяет обращаться с термохимическими уравнениями, в которых приведен тепловой эффект реакции, а также агрегатное состояние участников реакции, как и с алгебраическими.

Тепловой эффект химической реакции можно вычислить по теплотам образования и теплотам сгорания.

 

2. Теплота образования. Теплота сгорания.

Следствия из закона Гесса

 

Теплотой образования называется тепловой эффект при образовании из простых веществ одного моль соединения. При этом теплота образования простых веществ (Н₂, O₂, N₂) принимается равной нулю.

Теплотой сгорания называется тепловой эффект (при постоянном давлении) реакции окисления кислородом одного моль химического соединения с образованием следующих продуктов реакции: CO₂, SO₂, H₂O, N₂.

По теплотам сгорания удобно рассчитывать тепловой эффект органических реакций.

Из закона Гесса вытекают два следствия:

1. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования продуктов реакции и теплот образования исходных веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов:

 

. (20)

 

2. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот сгорания исходных веществ и теплот сгорания продуктов реакции с учетом их стехиометрических коэффициентов:

 

. (21)

 

Поскольку тепловой эффект и энтальпия зависят от давления и температуры, то их относят к стандартному состоянию, которое определяется следующими параметрами:

ЛЕКЦИЯ 8

 

Энтропия.

Второе начало термодинамики

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: