Лекция по "Физической и коллоидной химии"

Рассмотрим некоторый обобщенный химический процесс превращения  исходных веществ А₁, А₂, А₃... в продукты реакции В₁, В₂, В₃..., который может быть осуществлен различными путями в одну или несколько стадий:

Согласно закону Гесса, тепловые эффекты  всех этих реакций связаны следующим  соотношением: 

             (I.17)

Практическое значение закона Гесса  состоит в том, что он позволяет  рассчитывать тепловые эффекты химических процессов. В термохимических расчетах обычно используют ряд следствий из закона Гесса:

1.  Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции (закон Лавуазье – Лапласа).

2.  Для двух реакций, имеющих одинаковые исходные, но разные конечные состояния, разность тепловых эффектов представляет собой тепловой эффект перехода из одного конечного состояния в другое.

С + О₂  ––>  СО + ¹/₂ О₂                   ΔН₁

С + О₂  ––>  СО₂                               ΔН₂

СО + ¹/₂ О₂  ––>  СО₂                      ΔН₃

            (I.18)

3.  Для двух реакций, имеющих одинаковые конечные, но разные исходные состояния, разность тепловых эффектов представляет собой тепловой эффект перехода из одного исходного состояния в другое.

С_(алмаз) + О₂  ––>  СО₂               ΔН₁

С_{(графит)} + О₂  ––>  СО₂              ΔН₂

С_(алмаз) ––>  С_{(графит)}                  ΔН₃

            (I.19)

4.  Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования продуктов реакции и исходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты.

            (I.20)

5.  Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот сгорания исходных веществ и продуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты.

            (I.21)

В качестве примера рассмотрим расчет теплового эффекта реакции окисления  одного моля глюкозы (теплота образования  кислорода по определению равна нулю):

С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂ ––> 6 СО₂ + 6 Н₂О

Величины тепловых эффектов химических реакций зависят от условий, в  которых проводятся реакции. Поэтому табличные значения теплот различных процессов принято относить к стандартному состоянию – температуре 298 К и давлению 101325 Па (760 мм. рт. ст.; 1 атм.); величины тепловых эффектов при данных условиях называют стандартными тепловыми эффектами и обозначают ΔН°₂₉₈ и ΔU°₂₉₈ соответственно. 
 

1.3.1  Зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Закон Кирхгоффа

В общем случае тепловой эффект химической реакции зависит от температуры  и давления, при которых проводится реакция. Влиянием давления на ΔН и ΔU реакции обычно пренебрегают. Влияние температуры на величины тепловых эффектов описывает закон Кирхгоффа:

Температурный коэффициент теплового  эффекта химической реакции равен  изменению теплоемкости системы  в ходе реакции.

Продифференцируем ΔН и ΔU по температуре при постоянных давлении и температуре соответственно:

           (I.22)

           (I.23)

Производные энтальпии и внутренней энергии системы по температуре  есть теплоемкости системы в изобарных  и изохорных условиях C_p и C_v соответственно:

           (I.24)

           (I.25)

Подставив выражения (I.24, I.25) в (I.22, I.23), получаем математическую запись закона Кирхгоффа:

           (I.26)

           (I.27)

Для химического процесса изменение  теплоемкости задается изменением состава  системы и рассчитывается следующим  образом:

           (I.28)

           (I.29)

Если проинтегрировать выражения (I.26, I.27) от Т = Т₁ до Т = Т₂, считая ΔС_p (ΔС_v) не зависящим от температуры, получим интегральную форму закона Кирхгоффа:

           (I.30)

           (I.31)

Поскольку обычно известны табличные  значения стандартных тепловых эффектов ΔН°₂₉₈ и ΔU°₂₉₈, преобразуем выражения (I.30, I.31):

           (I.32)

           (I.33)

При расчете изменения теплового эффекта реакции в большом интервале температур необходимо учитывать зависимость теплоёмкости от температуры, которая выражается степенным рядом C°_p = aT + bT² + cT³; коэффициенты a, b, c приведены в справочниках.

1.4  ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ЭНТРОПИЯ

Первое начало термодинамики утверждает, что при превращении одной  формы энергии в другую полная энергия системы не изменяется, однако не указывает никаких ограничений  относительно возможности этого  процесса. Поэтому первое начало термодинамики  позволяет рассчитать энергетический эффект процесса, однако не дает ответа на вопросы о том, будет ли процесс протекать самопроизвольно, о направлении и глубине протекания процесса.

Самопроизвольный процесс – процесс, который может протекать без затраты работы извне, причем в результате может быть получена работа в количестве, пропорциональном произошедшему изменению состояния системы. Самопроизвольный процесс может протекать или обратимо, или необратимо. Хотя определение обратимого процесса уже приводилось, следует подробнее рассмотреть это понятие. Чтобы самопроизвольный процесс протекал обратимо, необходимо приложить извне такое сопротивление, чтобы переход был очень медленным и при бесконечно малом изменении противодействующей силы процесс мог пойти в обратном направлении. В случае обратимо происходящего изменения состояния системы производится максимальное количество работы. Всякий реальный процесс в какой-то степени является необратимым, и получаемая работа меньше максимально возможного теоретического количества.

Вынужденный процесс – процесс, для протекания которого требуется затрата работы извне в количестве, пропорциональном производимому изменению состояния системы.

Второе начало термодинамики  дает возможность определить, какой  из процессов будет протекать самопроизвольно, какое количество работы может быть при этом получено, каков предел самопроизвольного течения процесса. Далее, второе начало термодинамики дает возможность определить, какими должны быть условия, чтобы нужный процесс протекал в необходимом направлении и в требуемой степени, что особенно важно для решения различных задач  прикладного характера. Подобно первому, второе начало термодинамики выведено непосредственно из опыта. В то же время второе начало термодинамики имеет ограниченную область применения: оно применимо лишь к макроскопическим системам. Формулировки второго начала термодинамики:

Теплота не может самопроизвольно  переходить от менее нагретого тела к более нагретому.

Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты в работу.

Невозможно построить  машину, все действия которой сводились  бы к производству работы за счет охлаждения теплового источника (вечный двигатель  второго рода).

Рассмотрим работу тепловой машины, т.е. машины, производящей работу за счет теплоты, поглощаемой от какого-либо тела, называемого нагревателем. Нагреватель с температурой Т₁ передает теплоту Q₁ рабочему телу, например, идеальному газу, совершающему работу расширения А; чтобы вернуться в исходное состояние, рабочее тело должно передать телу, имеющему более низкую температуру Т₂ (холодильнику), некоторое количество теплоты Q₂, причем

               (I.34)

Отношение работы А, совершенной тепловой машиной, к количеству теплоты Q₁, полученному от нагревателя, называется термодинамическим коэффициентом полезного действия (КПД) машины η:

               (I.35) 
 

Рисунок 1.1  Схема тепловой машины 
 

Для получения математического  выражения второго начала термодинамики рассмотрим работу идеальной тепловой машины (машины, обратимо работающей без трения и потерь тепла; рабочее тело – идеальный газ). Работа машины основана на принципе обратимого циклического  процесса – термодинамического цикла Карно (рис. 1.2).

Рисунок 1.2  Цикл Карно 
 

Запишем выражения для работы на всех участках цикла:

Участок 1 – 2:  Изотермическое расширение.

                  (I.36)

Участок 2 – 3:  Адиабатическое расширение.

                  (I.37)

Участок 3 – 4:  Изотермическое сжатие.

                  (I.38)

Участок 4 – 1:  Адиабатическое сжатие.

                  (I.39)

Общая работа в цикле равна сумме  работ на всех участках:

                  (I.40)

Проведя ряд несложных преобразований, получим для КПД идеальной  тепловой машины, работающей по циклу  Карно:

                  (I.41)

Т.о., максимальный КПД тепловой машины не зависит от природы рабочего тела, а определяется только разностью  температур нагревателя и холодильника. Очевидно, что без перепада температур превращение теплоты в работу невозможно. Полученное выражение справедливо для тепловой машины, обратимо работающей по любому циклу, поскольку любой цикл можно разбить на множество бесконечно малых циклов Карно.

Для необратимо работающей тепловой машины уравнение (I.41) преобразуется в неравенство:

                  (I.42)

Для общего случая можем записать:

                  (I.43)

На основе анализа работы идеальной  тепловой машины Карно можно сделать  следующий вывод, являющийся также  одной из формулировок второго начала термодинамики:

Любая форма энергии может полностью перейти в теплоту, но теплота преобразуется в другие формы энергии лишь частично.

Т.о., можно условно принять, что  внутренняя энергии системы состоит  из двух составляющих: "свободной" X и "связанной" Y энергий, причем "свободная" энергия может быть переведена в работу, а "связанная" энергия может перейти только в теплоту.

                  (I.44)

Величина связанной энергии  тем больше, чем меньше разность температур, и при T = const тепловая машина не может производить работу. Мерой связанной энергии является новая термодинамическая функция состояния, называемая энтропией.

Введем определение энтропии, основываясь  на цикле Карно. Преобразуем выражение (I.41) к следующему виду:

                     (I.45)

Отсюда получаем, что для обратимого цикла Карно отношение количества теплоты к температуре, при которой теплота передана системе (т.н. приведенная теплота) есть величина постоянная:

                   (I.46)                                     (I.47)

Это верно для любого обратимого циклического процесса, т.к. его можно  представить в виде суммы элементарных циклов Карно, для каждого из которых

                          (I.48)

Т.о., алгебраическая сумма приведённых  теплот для произвольного обратимого цикла равна нулю:

                            (I.49)

Выражение (I.49) для любого цикла  может быть заменено интегралом по замкнутому контуру:

                            (I.50)

Если интеграл по замкнутому контуру  равен нулю, то подынтегральное выражение  есть полный дифференциал некоторой  функции состояния; эта функция состояния есть энтропия S:

                             (I.51)

Выражение (I.51) является определением новой функции состояния – энтропии и математической записью второго начала термодинамики для обратимых процессов. Если система обратимо переходит из состояния 1 в состояние 2, изменение энтропии будет равно:

                    (I.52)

Подставляя (I.51, I.52) в выражения  для первого начала термодинамики (I.1, I.2) получим совместное аналитическое  выражение двух начал термодинамики  для обратимых процессов:

                           (I.53)

                             (I.54)

Для необратимых процессов можно  записать неравенства:

                                     (I.55)

                                     (I.56)

                           (I.57)

Т.о., как следует из (I.57), работа обратимого процесса всегда больше, чем того же процесса, проводимого необратимо. Если рассматривать изолированную систему (δQ = 0), то легко показать, что для обратимого процесса dS = 0, а для самопроизвольного необратимого процесса dS > 0.

В изолированных системах самопроизвольно  могут протекать только процессы, сопровождающиеся увеличением энтропии.

Энтропия изолированной системы  не может самопроизвольно убывать.

Оба этих вывода также являются формулировками второго начала термодинамики. 
 

1.4.1  Статистическая интерпретация энтропии

Классическая термодинамика рассматривает  происходящие процессы безотносительно  к внутреннему строению системы; поэтому в рамках классической термодинамики  показать физический смысл энтропии невозможно. Для решения этой проблемы Л.Больцманом в теорию теплоты были введены статистические представления. Каждому состоянию системы приписывается термодинамическая вероятность (определяемая как число микросостояний, составляющих данное макросостояние системы), тем большая, чем более неупорядоченным или неопределенным является это состояние. Т.о., энтропия есть функция состояния, описывающая степень неупорядоченности системы. Количественная связь между энтропией S и термодинамической вероятностью W выражается формулой Больцмана:

                           (I.58)

С точки зрения статистической термодинамики  второе начало термодинамики можно  сформулировать следующим образом:

Система стремится самопроизвольно  перейти в состояние с максимальной термодинамической вероятностью.

Статистическое толкование второго  начала термодинамики придает энтропии конкретный физический смысл меры термодинамической  вероятности состояния системы.