Совокупность всех видов энергии частиц в системе называется внутренней энергией системы (U). Она складывается из кинетической и потенциальной энергии всех ее частиц (атомов, молекул, ионов и др.), энергии химических связей и межмолекулярных взаимодействий, энергии электронов и атомных ядер и т.д.
Абсолютную величину внутренней энергии определить невозможно, можно найти только ее изменение при переходе системы из одного состояния в другое:
U 2 - U 1 = Δ U,
где U1 и U2 - значения внутренней энергии в начальном и конечном состояниях системы, ΔU - конечное изменение свойства системы.
Значение ΔU положительно (ΔU > 0), если внутренняя энергия системы возрастает.
ΔU°298 для различных веществ приводятся в специальных таблицах термодинамических величин. Единицы измерения — кДж/моль. ° означает, что вещества находятся в стандартном состоянии (наиболее характерном для данного вещества в данных условиях), 298 - стандартная термодинамическая температура (при которой измерены табличные термодинамические величины).
Изменение внутренней энергии можно определить с помощью работы и теплоты, так как система может обмениваться с окружающей средой веществом или энергией в форме теплоты Q и работы А.
Теплота является формой передачи энергии путем столкновения молекул соприкасающихся тел, то есть путем теплообмена.
Теплообмен - микроскопическая, то есть неупорядоченная форма передачи энергии хаотически движущимися частицами. Направление передачи теплоты определяется температурой.
Теплота связана с процессом, а не с состоянием системы. Следовательно, теплота не является функцией состояния, она зависит от пути процесса.
Работа - макроскопическая форма передачи энергии. Для того чтобы система совершила работу, необходимо наличие внешних сил. Работа, совершаемая системой, обусловлена взаимодействием системы с внешней средой, в результате которого преодолеваются внешние силы, нарушившие равновесие в системе.
Работу, совершенную системой против внешних сил, принято считать положительной, а совершенную над системой - отрицательной.
Величина работы, как и количество теплоты, есть количественная характеристика энергии, переданной от одной системы к другой. Работа, как и теплота, связана с процессом и не является функцией состояния. Величина ее будет зависеть от вида процесса.
Величину теплоты и работы выражают в джоулях (Дж), килоджоулях (кДж).
Количественное соотношение между изменением внутренней энергии, теплотой и работой устанавливает первый закон термодинамики.
Пусть к закрытой системе подведено количество теплоты Q.
Эта теплота идет в общем случае на увеличение энергии и на совершение системой работы.
Q = ΔU + А.
Это математическое выражение I закона термодинамики: теплота, подведенная к системе, затрачивается на увеличение ее внутренней энергии и совершение системой работы.
При химических процессах чаще всего происходит работа расширения
А = рΔ\/, где Δ\/ - изменение объема системы, р = конст.
Поэтому Q = ΔU + рΔ\/
Сумма ΔU + р\/ называется энтальпией системы (устаревший термин - «теплосодержание»). Она характеризует суммарный запас внутренней и внешней энергии системы. Энтальпия - это функция состояния системы.
Н = ΔU + p ΔV
Стандартная энтальпия образования вещества ΔНo298 – тепловой эффект реакции образования одного моля вещества из простых веществ, находящихся в устойчивых стандартных состояниях, при стандартных условиях.
Значения стандартных теплот образования - табличные величины, единицы измерения — кДж/моль.
Из определения следует, что теплоты образования простых веществ равны нулю.
Раздел химической термодинамики, посвященный исследованиям тепловых эффектов химических реакций, теплот фазовых переходов, теплот растворения веществ, разбавления растворов и т. п., называется термохимией.
ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ РЕАКЦИИ
Так как на разрушение связей энергия затрачивается, а при образовании связей - выделяется, и оба эти процесса энергетически неравноценны, то любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением теплоты - тепловым эффектом.
Например: С(т) + О2(г) = СО2 (г) + 394 кДж/моль, т.е, при сгорании 1 моль углерода выделяется 394 кДж энергии.
Уравнения реакций, в которых, помимо исходных веществ и продуктов реакции, указывается ее тепловой эффект, а также агрегатные состояния веществ, называются термохимическими.
Тепловой эффект реакции - это количество выделенного или поглощенного в ходе реакции тепла, отнесенное к 1 молю вещества, при условии, что температура постоянна и равна 298 К, а система не совершает никакой работы, кроме работы расширения.
Тепловой эффект измеряется в Дж (кДж) или килокалориях (1 ккал = 4,184 кДж).
Если в ходе реакции теплота выделяется, реакция называется экзотермической (Q > 0), если поглощается - эндотермической (Q < 0).
Тепловой эффект считают положительным для эндотермических процессов (ΔH > 0, теплота поглощается) и отрицательным для экзотермических процессов (ΔH < 0, теплота выделяется).
Основной закон термохимии - закон Гесса:
- тепловой эффект реакции не зависит от пути протекания химического процесса, т.е. от числа и характера промежуточных стадий, а только от начального и конечного состояний веществ.
Следствия из закона Гесса:
1. Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции: Q пр.= - Qобр ( закон Лавуазье - Лапласа ).
Это означает, что при образовании любого соединения выделяется (поглощается) столько же энергии, сколько поглощается (выделяется) при его распаде на исходные вещества.
Например: горение водорода в кислороде
2 Н2(г) + 02(г) —›2 Н2О(ж) + 572 кДж
Разложение воды электрическим током:
2 Н2О(ж) —›2 Н2(г) + О2(г) - 572 кДж
2. Тепловой эффект реакции равен разности между суммой энтальпий образования продуктов реакции и суммой энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.
аА + вВ сС + dD
исходные продукты
вещества
| Δ H 0 х. р. = Σ υ Δ H 0 прод. – Σ υ Δ H 0 исх. |
Решение задач осуществляется, используя алгоритм:
1) выписать уравнение;
2) выписать количество вещества = стехиометрическим коэффициентам под соответствующим компонентом;
3) выписать значение ΔНo298 из таблицы;
4) рассчитать ΔНх.р
С помощью закона Гесса можно определить величины тепловых эффектов, которые невозможно определить экспериментально.