VVEDENIE (Конспект лекций по курсу Физическая химия), страница 3

Между теплотой испарения ( ) и температурой кипения (Т_Е) существует взаимосвязь:

, (3.19)

определяемая как правило Трутона.

Существует такая же взаимосвязь для теплоты плавления ( ) и температуры плавления (T_S):

, (3.20)

называемая правилом Ричардса.

VIII следствие. Теплота нейтрализации.

Реакция нейтрализации – реакция между щелочами и кислотами. В ее основе лежит процесс нейтрализации ионов водорода (Н⁺) ионами гидроксида (ОН^-), приводящий к образованию молекул воды. Следовательно, тепловой эффект всех подобных реакций должен быть одинаков, что и показали точные опыты.

Теплота нейтрализации примерно равна 57,08 кДж/моль, если в реакции участвует одноосновная кислота

5. Зависимость теплового эффекта химической реакции от температуры

(уравнение Кирхгофа).

Большинство экспериментальных определений теплот реакций относится к комнатной температуре, хотя практически важно знать его значение при любой температуре. Первое начало термодинамики позволяет определить зависимость теплового эффекта от температуры и осуществлять соответствующие термохимические расчеты.

Для реакции вида:

, (3.21)

где - коэффициенты;

М₁, М₂, ..., N₁, N₂, ... – продукты химической реакции, тепловой эффект .

. (3.22)

Тогда:

. (3.23)

После дифференцирования по температуре:

, (3.24)

где - температурный коэффициент теплового эффекта химической реакции;

Учитывая, что = С_V:

(3.25)

или

. (3.26)

Уравнение (3.26) – уравнение Кирхгофа в дифференциальной форме записи, которое читается:

“Температурный коэффициент теплового эффекта химической реакции равен изменению теплоемкости системы за счет этой реакции.”

Если , то , т. е. с повышением температуры тепловой эффект химической реакции уменьшается.

Если , то и с повышением температуры тепловой эффект химической реакции возрастает.

При , то и температура не влияет на величину теплового эффекта химической реакции.

После разделения переменных и интегрирования:

. (3.27)

где .

Тогда

(3.28)

и по аналогии:

. (3.29)

Уравнения (3.28) и (3.29) – уравнения Кирхгофа в интегральной форме записи.

В обобщенной форме записи:

. (3.30)

Кроме того:

, (3.31)

. (3.32)

Таким образом, для нахождения величины теплового эффекта химической реакции при заданной температуре необходимо знать его величину при любой другой температуре и располагать уравнениями С_i = f (T).

Глава IV. Второе начало термодинамики.

1. Содержание второго начала термодинамики.

Первого начала термодинамики недостаточно для полной характеристики термодинамических процессов. В рамках первого начала можно установить энергетический баланс процессов, но получить сведения о возможности, направлении и пределах их протекания не представляется возможным.

Итак, второе начало позволяет:

• находить направление и устанавливать возможность самопроизвольного (естественного, спонтанного) течения термодинамических процессов и пределы их протекания;

определять условия, при которых превращение какого-либо запаса энергии в полезную работу происходит наиболее полно.

Предлагаются следующие формулировки второго начала термодинамики:

“... холодное тело В, погруженное в теплое тело А, не может воспринять большую степень теплоты, чем какую имеет А.”

(М. В. Ломоносов)

“... невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в переходе энергии от более холодного тела к более горячему.”

(Рудольф Клаузиус)

“... невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в поглощении теплоты от нагревателя и полного преобразования этой теплоты в работу.”

(У. Томсон (лорд Кельвин))

2. Обратимые и необратимые процессы.

Подобно тому, как в первом начале термодинамики вводится функция состояния – внутренняя энергия, во втором начале – функция состояния, получившая название энтропия (S) (от греческого entropia – поворот, превращение). Рассмотрение изменения этой функции привело к разделению всех процессов на две группы: обратимые и необратимые (самопроизвольные) процессы.

Процесс называется обратимым, если его можно провести сначала в прямом, а затем в обратном направлении и так, что ни в системе, ни в окружающей среде не останется никаких изменений. Полностью обратимый процесс – абстракция, но многие процессы можно вести в таких условиях, чтобы их отклонение от обратимости было весьма мало. Для этого необходи мо, чтобы в каждой своей бесконечно малой стадии состояние системы, в которой этот процесс происходит, отвечало бы состоянию равновесия.

Состояние равновесия – особое состояние термодинамической системы, в которое она переходит в результате обратимого или необратимого процессов и может оставаться в нем бесконечно долго. Реальные процессы могут приближаться к обратимым, но для этого они должны совершаться медленно.

Процесс называется необратимым (естественным, спонтанным, самопроизвольным), если он сопровождается рассеянием энергии, т. е. равномерным распределением между всеми телами системы в результате процесса теплопередачи.

В качестве примеров необратимых процессов могут быть названы следующие:

• замерзание переохлажденной жидкости;

• расширение газа в вакуумированное пространство;

• диффузия в газовой фазе или в жидкости.

Систему, в которой произошел необратимый процесс, можно возвратить в исходное состояние, но для этого над системой нужно совершить работу.

К необратимым процессам относится большинство реальных процессов, так как они всегда сопровождаются работой против сил трения, в результате чего происходят бесполезные энергозатраты, сопровождающиеся рассеянием энергии.

Для иллюстрации понятий рассмотрим идеальный газ, находящийся в цилиндре под поршнем. Пусть начальное давление газа Р₁ при его объеме V₁ (рис. 4.1).

Д

авление газа уравновешено насыпанным на поршень песком. Совокупность равновесных состояний описывается уравнением pV = const и графически изображается плавной кривой (1).

Если с поршня снять некоторое количество песка, то давление газа над поршнем резко снизится (от А до В) лишь после чего произойдет увеличение объема газа до равновесной величины (от В до С). Характер этого процесса – ломанная линия 2. Эта линия характеризует зависимость P=f (V) при необратимом процессе.

Рис. 4.1. Зависимость давления газа от его объема при обратимом (1) и необратимом процессах (2, 3).

Из рисунка видно, что при обратимом расширении газа совершаемая им работа (площадь под плавной кривой 1) больше, чем при любом необратимом его расширении.

Таким образом, любой термодинамический процесс характеризуется максимально возможной величиной работы, если он совершается в обратимом режиме. К аналогичному выводу можно прийти, если рассмотреть процесс сжатия газа. Только следует иметь ввиду, что в этом случае величина работы – отрицательная величина (рис. 4.1, ломаная 3).

3. Коэффициент полезного действия тепловой машины. Цикл Карно.

Классический пример применения второго начала термодинамики – определение максимально возможного коэффициента полезного действия (К. П. Д.) тепловой машины. Исторически исследования в этой области послужили исходным пунктом термодинамики. Из положений второго начала следует, что тепловая машина должна содержать не менее двух тел, находящихся при разных температурах: нагревателя при температуре Т₁ и холодильника при температуре Т₂ (Т₁>Т₂). Для получения максимальной работы, перенос энергии от нагревателя к холодильнику должен осуществляться в обратимом режиме. Для осуществления переноса необходимо участие еще одного, так называемого рабочего тела, совершающего обратимый циклический процесс.

Отношение совершенной рабочим телом работы к сообщенной рабочему телу энергии – К.П.Д. тепловой машины ( ):

, (4.1)

где А – совершенная рабочим телом полезная работа;

q₁ – энергия, полученная рабочим телом от нагревателя в результате теплопередачи;

q₂ – энергия, теплопередачей возвращенная рабочим телом холодильнику.

Схема тепловой машины может быть представлена рис. 4.2.

Рис.4.2. Схема тепловой машины.

П

усть рабочий цикл тепловой машины состоит из двух изотерм (1 - 2 и 3 – 4) и двух адиабат (2 – 3 и 4 – 1). Такой цикл называется циклом Карно (рис. 4.3).

Все указанные на рис. 4.3 процессы являются обратимыми, поэтому исходное и конечное состояния газа совпадают. Рабочим телом является идеальный газ в количестве 1 моля, находящийся в цилиндре под поршнем.

Рис. 4.3. Цикл Карно.

Изотермическое расширение газа (1 –2) происходит в условиях контакта цилиндра с теплоотдатчиком (нагревателем), температура которого Т₁. Газ расширяется до объема V₂ и работа, им совершенная, равна поглощенной от нагревателя энергии:

. (4.2)

При адиабатическом расширении газа (2 – 3) цилиндр с поршнем отсоединяется от нагревателя и работа расширения газа выполняется за счет уменьшения его внутренней энергии:

. (4.3)

Изотермическое сжатие (3 – 4) газа происходит в условиях контакта цилиндра с холодильником (теплоприемником), а энергия, выделяющаяся при сжатии полностью поглощается холодильником:

. (4.4)

Работа, произведенная на последнем участке (4 – 1) цикла производится в условиях отсутствия контакта рабочего тела с холодильником и приводит к повышению запаса внутренней энергии газа и его температура увеличивается до Т₂: .

Суммарная величина работы, выполненная рабочим телом за цикл определяется: