Химиялық және фазалық өзгерістердің энергетикасы Химиялық термодинамика туралы негізгі ұғымдар. Термодинамиканың бірінші заңы
жүктеу/скачать 307,9 Kb.
|
1 Химиялық және фазалық өзгерістердің энергетикасы
|
1 Химиялық және фазалық өзгерістердің энергетикасы 1.1 Химиялық термодинамика туралы негізгі ұғымдар. Термодинамиканың бірінші заңы Нақты мысалды келтіре отырып, химиялық термодинамиканың негізгі ұғымдарын түсіндірейік. Эластикалық және герметикалық резеңке баллонның ішінде еріген тұз, кристал пішіндегі ерімеген тұз және ерітінді үстіндегі бу болсын (1.1. а сурет). 1.1 сурет. а – бастапқы күй; б – соңғы күй Баллоның ішіндегі зерттеу нысаны болып табылады, ол әдетте термоднимикалық жүйе деп аталады. Онда жүйенің сыртындағылардың барлығы қоршаған ортаны құрайды. Жалпы алғанда, термодникамикалық жүйе – қоршаған ортамен әрекеттесуде бір-бірімен энергия және зат алмасуды жүзеге асыра алатын денелердің жиынтығы. Біз қарастырып термоднимикалық жүйе қоршаған ортамен энергия алмаса ала алады, бірақ зат алмастырмайды. Мұндай жүйені тұйықталған немесе жабық жүйе деп айтуға болады. Ал сыртқы ортамен энергия да, зат та алмасатын жүйені ашық (1.2. б), ал ешқандай алмасу болмайтын жүйені – оқшауланған (1.2. в) деп атайды. Кез-келген тірі ағзаның барлығы ашық жүйе болып табылады, олардың тіршілік әрекеті тек қоршаған ортамен үздіксіз зат және энергия алмасу арқылы жүзеге асып жатады (тыныс алу, тамақтану, биогенез, метаболизм). 1.2. сурет. а – ашық жүйе, б – жабық жүйе, в – оқшауланған жүйе Демек, зерттеу нысаны белгілі. Жүйені сипаттайтын шамалардың параметрлерін қарастырайық. Олар екіге бөлінеді. Біріншісі зат мөлшеріне тәуелді болмайтын интенсивті параметрлер. Оларға атап айтқанда температура (Т), қысым (Р), молярлық концентрация (С) жатады. Екіншісі зат мөлшеріне тәуелді болатын экстенсивті параметрлер, мысалы масса (m) және көлем (V). Егер баллонды қыздырсақғ яғни жүйеге жылу түріндегі энергияны алып келсек не болады (1.1. сурет)? Біріншіден температура - ден - ге дейін көтеріледі. Жүйедегі бір немесе бірнеше параметрлердің өзгерісін термодинамикалық процестер деп атайды. Температураның жоғарылауы, өз кезегінде жүйенің ішкі энергиясын өзгертеді (U). Ішкі энергия жүйені құраушы атомдардың, молекулалардың, электрондардың, ядролардың және т.б. қосындыларымен анықталады және негізінен жоғарыда айтылған бөлшектердің кинетикалық энергияларынан және олардың арасындағы өзара әрекеттесулерден жинақталады. Ішкі энергияның абсолютті мәнін не өлшеуге, не есептеуге болмайды, оның өзгерісін тек қандай-да бір процестің нәтижесінен білуге болады. Кез-келген жүйенің бір күйден екінші күйге өткен кездегі ішкі энергиясы ауысу жолына тәуелді емес, тек бастапқы және соңғы күймен анықталады. Біздің мысалда, баллондағы затты алдымен дейін қыздыруға , содан кейін дейін қайтадан салқындатуға болады, осыдан жүйенің ішкі энергиясының өзгерісі, температураға дейін қыздырғандай болады. Бұл дегеніміз жүйенің ішкі энергиясы күй функциясы болып табылатындығын көрсетеді, яғни процестің жолына тәуелді емес: (1.1) Мұндағы 1 және 2 индекстері – жүйенің бастапқы және соңғы күйлерінің белгілері. Баллонды қыздырған кезде тек температура ғана өзгеріп қоймай, еретіндінің концентрациясы да өзгереді – тұздың бір бөлігі еріп, будың мөлшері артады, яғни массаның қайта таралуы жүзеге асады. Бу мөлшерінің ұлғаюы есебінен жүйеде ұлғаю жұмысы орындалады: (1.2) Егер сыртқы қысым тұрақты болса, қыздыру көлемнің ұлғаюына алып келеді, баллон ауа шарына ұқсас үлкейеді. Резина баллонның қабырғалары кеңейіп жүйеде (W) жұмыс атқарылады. Демек сырттан берілген (Q) жылуы ішкі энергияны ұлғайтуға жұмсалып, (А) кеңейу жұмысын, жұмыстың басқа түрлерін (біздің жағдайда баллон қабырғаларының кеңеюі) және жүйедегі зат массаларының қайта таралуынан (Е) жұмыстар атқарылады: (1.3) Алынған теңдеу энергия сақталу заңының бір бөлігі болып табылатын, термодинамиканың бірінші заңы болып табылады. Термодинамиканың бірінші заңын былайша тұжырымдауға болады: Сырттан берілген жылу, жүйенің ішкі энергиясын арттыруға және жұмыс атқаруға жұмсалады. Термодинамиканың бірінші заңын келесі өрнекпен де өрнектеледі: Мұндағы - ұлғаю жұмысы; W – жұмыстың басқа түрлері. Жоғарыда қарастырып өткендей термодинамикаға бірнеше термодинамикалық параметрлердің қосындысы болып табылатын жаңа функцияны енгіземіз. Мұндай енгізулер есептеулерді жеңілдетеді. тең болатын күй функциясын энтальпия деп атайды (Н): Көптеген химиялық процестер тұрақты қысымда жүреді (оларды изобаралық деп айтамыз). Жұмыс та, жылу да күй функциясы болып табылмайтындығын айтып өткен жөн, яғни процестің жүріп өткен жолына тәуелді болады. Бұл қысымның тұрақтылық шартына немесе изобаралық шартқа сәйкес келеді. (p=const), онда: Егер және арқылы бастапқы және соңғы күйедгі ішкі энергияның қоын белгілесек, онда тең болады. Онда Немесе Изобаралық процестің энтальпиясының өзгерісін келесі өрнекпен сипаттаймыз: p=const және жұмыстың басқа түрлері болмаған кезде, жылу, ұлғаю жұмысынан басқа энтальпияның өзгерісіне тең болады: (1.7) Егер процесс тұрақты көлемде жүзеге асатын болса (V=const, изхоралық процесс) және жұмыстың басқа түрлері болмаған жағдайда, сіңірілген немесе бөлінген жылу ішкі энергияның өзгерісіне сәйкес келеді: (1.8) (1.7) және (1.8) қатынастарындағы ішкі энергия мен энтальпияның өзгерістері реакциялардың жылу эффектілерінің эксперименталді мәндерінен алынған. және шамалары әсіресе газтәрізді заттардың мөлшерлерінің өзгерісі кезіндегі процестерде бір-ірінен айтарлықтай айырмашылықтары болатындығы байқалады мәні мәнінен шамасына кем болады. Газдар өздерін идеал күйде ұстайтын болғандықтан, есептеуге Менделеев-Клайперон теңдеуін қолдануға болады (1.9) Мұндағы - реакцияның жүру нәтижесіндегі газтәрізді заттардың моль сандарының өзгерісі. Егер реакцияға тек конденсирленген фазалар ғана қатысса (сұйық және қатты), көлемнің өзгерісі айтарлықтай болмайды, тіпті оны елемесе де болады. Сусыз мыс сульфаты еріген кезде ішкі энергия мен энтальпияның өзгерісі бірдей болады. жүктеу/скачать 307,9 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|