Модуль Химиялық термодинамика және тепе-тендік Дәріс Химиялық термодинамиканың негіздері



жүктеу 0.86 Mb.
бет1/5
Дата15.06.2016
өлшемі0.86 Mb.
  1   2   3   4   5
Модуль 1. Химиялық термодинамика және тепе-тендік

Дәріс 1 . Химиялық термодинамиканың негіздері

Дәріс жоспары:

  1. Физикалық химияның қалыптасуы, мақсаттары, міндеттері.

  2. Химиялық термодинамикаға кіріспе.

  3. Негізгі түсініктер, анықтамалар және шамалар


Қысқаша мазмұны

Алғашқы кезде термодинамика жылу мен жұмыстың бір-біріне түрленуін қарастырды, сондықтан да термодинамика (термо грекше – жылу, температура, динамика – күш, жұмыс, қозғалыс) деп аталды.

Х1Х ғасырдың екінші жартысында термодинамиканың зерттелу ауқымы кеңейе бастады. Қазіргі кезде термодинамика заңдарына негізделіп электрлік және тоңазытқыш машиналарындағы, бу трубиналарындағы, іштен жанатын двигательдегі, гальваникалық элементтегі принциптерді, әр түрлі химиялық реакциялар мен биологиялық құбылыстар, жер қыртысындағы және атмосфералық құбылыстар зерттелінеді.

Сонымен энергияның бір түрден басқа бір түрге айналу заңдылықтарын зерттейтін ғылым термодинамика деп аталады. Химиялық термодинамика мынадай негізгі мәселелерді қарастырады:

а) әр түрлі химиялық заттардың немесе бір заттың әр түрлі фазаларының тепе-теңдікте болу жағдайлары;

ә) белгілі бір жағдайда химиялық реакцияның немесе фазалар түрленуінің өздігінен жүру мүмкіндігі;

б) химиялық реакция кезіндегі жылу мен энергияның басқа түрлерінің қарым-қатынсатары;

в) тепе-теңдік және химиялық реакцияның бағыты туралы мәселелерді сандық түрде көрсететін қасиеттерді өлшеу тәсілдеріне негіз болатын принциптер.

Термодинамика төрт постулатқа негізделген. Оларды термодинамиканың бастамасы, заңы немесе принципі деп те атайды.

Термодинамиканың нөлінші заңы басқаша жылу тепе – теңдігінің өтпелігі туралы заң деп аталады. Оны 1931 жылы Р. Фаулер ұсынған.

Термодинамиканың бірінші заңы басқаша энергияның сақталу заңы ретінде де белгілі. Ол заңды жалпы ең алғаш 1748 жылы М. В. Ломоносов ұсынды.

Кеиінірек Г. И. Гесс, Р. Майер, Д. П. Джоуль, Г. Гельмгольцтердің еңбектерінің нәтежесінде ол заң одан әрі зерттеліп, қазіргі түсініктемесіне ие болды.



Термодинамиканың екінші заңы энтропияның өсу заңы ретінде мәлім. Ол әр түрлі энергиялардың жылуға толық айналуын, ал жылудың жұмысқа толық айналмайтынын көрсетеді.

Термодинамиканың үшінші заңы Неристің жылулық пастулаты ретінде белгілі. Ол дене температурасының абсолюттік нөлге жетпейтіндігін көрсетеді.

Басқа пәндер сияқты термодинамиканың да өз түсініктері, терминдері және шамалары болады. Солардың негізгілеріне тоқталып өтейік.

Айналадағы ортадан ойша бөлінген дене немесе өзара әрекеттескен денелер тобы термодинамикалық жүйе деп аталады.

Термодинамиканың зерттейтін негізгі нысаны жүйе.



Жүйе деп, қоршаған ортадан ойша немесе шын мәнінде оқшауланған жеке немесе топталған денелер жиынтығын айтады.

Қоршаған орта дегеніміз жүйемен тура немесе жанама байланыста болатынның барлығы. Қоршаған ортамен әрекеттесу сипатына орай ашық, жабық және оқшауланған жүйелер түрлері болады.



Ашық жүйе деп, қоршаған ортамен энергиясымен де, затымен де алмаса алатын жүйені айтамыз.

Жабық жүйе деп, қоршаған ортамен затымен алмасуы жоқ, бірақ энергиясымен, жұмысымен алмаса алатын жүйені айтамыз.

Оқшауланған жүйе деп, сыртқы ортамен затымен де, энергиясымен де алмасуы жоқ жүйені айтамыз.

Жүйенің барлық физикалық және химиялық қасиеттерінің жиынтығын жүйенің күйі дейді. Жүйенің күйі термодинамикалық параметрлермен (температура, қысым, көлем, концентрация) сипатталады.

Жүйе күйінің параметрлері экстенсивтік және интенсивтік болып екіге бөлінеді. Экстенсивтік параметрлер жүйедегі заттардың мөлшеріне пропорционал болады. Оларға көлем, масса т.б. жатады. Интенсивтік параметрлер жүйедегі заттардың мөлшеріне байланыссыз болады. Оларға температура, қысым, тұтқырлық, концентрация және т.б. жатады.

Жүйе күйінің қандай болса да параметрлерінің өзгеруін процесс деп атайды. Мынадай процестер жиі-жиі қарастырылады. Тұрақты температурада (Т=const) жүретін процестер изотермиялық процестер деп аталады; егер қысым тұрақты болса (Р=const)- онда изобаралық процесс, ал көлем тұрақты болса (V=const), онда изохоралық процестер жүреді.Егер жүйе мен айналадағы орта арасында жылу алмасуы болмаса,онда жүретін процесс адиабаттық процесс деп аталады. Егер әрі көлем,әрі температура тұрақты болса,,онда изохорлық-изотермиялық процестер туралы сөз болады,егер қысым мен температура тұрақты болса,,онда процесс изобаралық–изотермиялық болып есептеледі.

Жүйе күйінің параметрлері біраз өзгерістерден кейін бастапқы күйге қайта оралса,онда болған процесс айналымды процесс немесе цикл деп аталады. Бұдан басқа қайтымды және қайтымсыз термодинамикалық процестер болады. Қайтымды процесте жүйе энергия жұмсамай-ақ өзінің алғашқы күйіне келе алады. Қайтымды термодинамикалық процестерге өте баяу жүретін процестер жатады. Қайтымды процестердің шартын қанағаттандыра алмайтын процестер қайтымсыз процесс деп аталады.

Тікелей өлшенетін параметрлерді (температура, қысым, көлем, концентрация) жүйенің негізгі күй парметрлері деп атайды. Тікелей өлшенуге келмейтін күй параметрлерін (ішкі энергия, энтальпия, энтропия, термодинамикалық потенциал) жүйенің күй функциясы дейді.



Ішкі энергия (U) жүйенің жалпы энергия қорын сипаттайды. Ол жүйені құрайтын бөлшектердің қозғалыс және әрекеттесу энергияларының барлық түрін: молекулалық қозғалыстың кинетикалық энергиясын, бөлшектердің молекулааралық тартылу және тебісу энергиясын, молеклаішілік немесе химиялық энергиясын, электрондық қозу энергиясын, ядроішілік және сәулелік энергияны құрайды. Ішкі энергия өзгерісі (ΔU) бастапқы ( U1) және соңғы күйдегі (U2) жүйенің ішкі энергия өлшемдер айырмашылығмен көрсетіледі:
(1.1)
Энтальпия (Н) – ол жүйе тұрақты қысымда ие болатын және сандық жағынан ішкі энергия U мен потенциалдық энергия pV қосындысына тең энергия:
(1.2)
p – қысым, V– жүйенің көлемі. Энтальпия терминін 1909 жылы Оннес енгізген, ол гректің эн – ішкі, тальпэ – жылу деген сөздері.

Бақылау сұрақтары

  1. Термодинамикалық жүйе дегеніміз не?

  2. Термодинамиканың 1-ші заңының қандай анықтамаларын білесіз.

  3. Қандай жүйелерді ашық, жабық, оқшауланған дейміз?

  4. Қайтымды және қайтымсыз процестер дегеніміз не? Мысал келтіріңіз.

  5. Жүйенің ішкі энергиясының анықтамасы.

  6. Сізге белгілі барлық күй функцияларын атаңыз.



Модуль 1. Химиялық термодинамика және тепе-тендік

Дәріс 2,3. Термодинамиканың бірінші заңы. Термохимия

Дәріс жоспары:

  1. Термодинамиканың бірінші заңы, оны кейбір процестерде қолданылуы

  2. Жылусыйымдылық

  3. Химиялық реакциялардың жылу эффектілері. Гесс заңы.

  4. Жылу эффектісінің температурадан тәуелділігі (Кирхгоф заңдылығы)

Қысқаша мазмұны

Термодинамиканың бірінші заңы немесе бірінші бастамасы негізінен энергияның сақталу заңы болып есептеледі. Оны былай тұжырымдауға болады: энергияның түрлері бір-біріне эквивалентті және бірдей қатынаста (мөлшерде) ауысады.

Бұл изоляцияланған жүйеде энергияның жалпы қоры тұрақты болатынын аңғартады. Термодинамиканың бірінші заңы жұмыс,жылу және жүйенің ішкі энергиясының өзгеруінің арасындағы байланысты көрсетеді.

Жүйе күйінің соңғы өзгерісі үшін термодинамиканың бірінші заңы келесідей теңдеумен көрсетіледі:

(2.1)

– жүйеге берілген немесе жүйеден шығарылған жылу

–ішкі энергия өзгерісі

– жүйемен істелген жалпы жұмыс

(2.2)

Бұл теңдеу термодинамиканың 1-ші заңының математикалық өрнегі болып табылады. Жүйеге берілген немесе жүйеден шығарылған жылу мөлшері ішкі энергияның өзгерісіне және жұмыс жасауға кетеді.

Әртүрлі термодинамикалық процестер үшін термодинамиканың 1-ші заңының математикалық теңдеуі келесідей түрде жазылады.

Изобаралық процесс ( p = сonst )


; (2.3)
Изобаралық процесте жылу мөлшері энтальпияның өзгеру шегі болып табылады.

Изохоралық процесс (V= сonst)


; (2.4)
Жүйеге берілген жылу мөлшері ішкі энергия өзгерісіне жұмсалады. Бұл процесте ешбір жұмыс жүргізілуі мүмкін емес.

Изотермиялық процесс (Т = сonst)
(2.5)

Жүйеге тиісті жылу толығымен ұлғаю жұмысына айналады. 1 моль газ үшін pV=RT болғанда, теңдеу келесідей түрде болады:




R=const, RT=const, p1V1= p2V2

(2.6)

(2.7)
Изотермиялық процесте газдың ұлғаю жұмысы тек көлем мен қысымның кері пропорционалдық жағдайындағы өзгеруіне тәуелді және ол жұмыс жүйеге сырттан енгізілген жылу есебінен жүреді.

Термодинамиканың бірінші заңын адиабаттық процестерге қолданбай тұрып, жылусыйымдылығы ұғымына толығырақ тоқталып өтейік.


Жылусыйымдылық

Жылусыйымдылық деп, затты қыздырған кезде жылу сіңіру қабілетін айтамыз. Меншікті және мольдік жылусыйымдылықтар болады.

Меншікті жылусыйымдылық деп, заттың бірлік массасын 1 К-ге қыздыру үшін қажет жылу мөлшерін айтамыз.

Мольдік жылусыйымдылық деп, 1 моль затты 1 К-ге қыздыру үшін қажет жылу мөлшерін айтамыз.

Заттардың жылусыйымдылығы температураға тәуелді, сондықтан жылусыйымдылықтың мәні нақтылы және орташа болып бөлінеді. Нақтылы жылусыйымдылық деп, дененің алған шексіз аз жылу мөлшерінің сәйкесінше оның температура туындысына қатынасын айтамыз:


(2.8)
С – молярлы жылусыйымдылық, Дж/(мольК)

Орташа жылусыйымдылық деп, заттың 1 моль мөлшеріне енгізілген соңғы жылу мөлшерінің температура айырымына Т2–Т1 қатынасын айтамыз:
(2.9)
Затты қыздыру немесе суыту жағдайына байланысты тұрақты көлемдегі Сv және тұрақты қысымдағы Ср жылусыйымдылықтар болады.

Тұрақты көлемде денеге берілген жылу мөлшері ішкі энергия өзгерісіне тең. . Нақтылы жылусыйымдылық мына теңдеумен өрнектеледі:


(3.0)
Тұрақты қысымда денеге берілген жылу мөлшері энтальпия өзгерісіне тең. . Осыдан нақтылы жылусыйымдылық келесідей өрнектеледі:
(3.1)
Заттың n моль мөлшерін Т1 – дан Т2 – ға дейін қызыдыруға жұмсалған жылу мөлшері келесідей теңдеумен анықталады:

(3.2)

(3.3)
Тұрақты қысымдағы және тұрақты көлемдегі жылусыйымдылық жүйенің көлемін өзгерту үшін істелген жұмыс мәнімен айрықшаланады.
(3.4)
1 моль идеал газ үшін 1 К температураға қыздырғанда p = const болғанда . Яғни,
(3.5)
R – универсал газ тұрақтысы. Сұйық және қатты денелерді қыздырғанда көлем аз өзгеретіндіктен .

Химиялық реакциялардың жылу эффектілері. Гесс заңы

Химиялық реакцияның жылу эффектісі процестің жүру жолына тәуелсіз, ол тек жүйенің бастапқы және соңғы күйлерімен анықталады. Реакцияның жылу эффектісін стандартты жағдайда (р -1,013105 Па, Т- 298 К ) жану және түзілу жылуы бойынша есептейді.



Түзілу жылуы деп, 1,013105 Па қысымда, температура 298 К жағдайда 1 моль берілген қосылыстың жай заттардан түзілуге жұмсалған жылу эффектісін айтамыз. Бұл кезде реакцияға қатысушылардың барлығы тұрақты агрегаттық күйде болуы шарт.

Жану жылуы деп, стандартты жағдайда 1 моль зат қарапайым оксидтерге дейін жанғанда бөлінетін жылуды айтамыз.

Гесс заңының бірінші салдары

Стандартты жағдайда реакцияның жылу эффектісі сәйкесінше стехиометриялық коэффициенттерге көбейтілген реакция өнімдері мен бастапқы заттардың түзілу жылулар қосындыларының айырымына тең:


өнім бас.з ( 3.7)
- химиялық реакцияның жылу эффектісі

өнім, бас.з - стехиометриялық коэффициенттері ескерілген реакция өнімдерімен бастапқы заттардың түзілу жылулар қосындысы.

реакция үшін келесідей жазуға болады :
(3.8)
– реакция өнімдері мен бастапқы заттардың түзілу жылулары, стехиометрииялық коэффициенттер.

Гесс заңының екінші салдары

Стандартты жағдайда реакцияның жылу эффектісі сәйкесінше стехиометриялық коэффициенттерге көбейтілген бастапқы заттар мен реакция өнімдерінің жану жылулар қосындыларының айырымына тең:


бас.зөнім (3.9)
- химиялық реакцияның жылу эффектісі

бас.з, өнім, - стехиометриялық коэффициенттері ескерілген бастапқы заттармен реакция өнімдерінің жану жылулар қосындысы.
Жылу эффектісінің температурадан тәуелділігі (Кирхгоф заңдылығы)

Химиялық реакция жылу эффектісінің температураға тәуелдігі Кирхгоф теңдеуімен интегралды түрде өрнектеледі:



(3.10)

– стандартты жағдайдағы реакция жылу эффектісі

– жүйе жылусыйымдылығының өзгерісі.

мәні өнімдер және бастапқы заттардың стехиометриялық коэффициентері ескерілген жылусыйымдылықтар қосындыларының айырымына тең:

өнімбас.з (3.11)
химиялық реакция үшін


СP(A), СP(B), СP(E), СP(D) – тұрақты қысымдағы реагенттердің мольдік жылусыйымдылықтары, e, d, a, b – стехиометриялық коэфициенттер.

Химиялық реакция жылу эффектісіне температураның әсері мәнінің таңбасымен анықталады.

1) > 0 кезінде реакция жылу эффектісі температура өскен сайын артады: > 0

2) < 0 кезінде реакция жылу эффектісі температура өскен сайын кемиді: < 0

3) = 0 кезінде реакцияның жылу эффектісі температурға тәуелсіз = 0

Бақылау сұрақтары


  1. Термодинамикалық жүйе дегеніміз не?

  2. Термодинамиканың 1-ші заңының қандай анықтамаларын білесіз.

  3. Қандай жүйелерді ашық, жабық, оқшауланған дейміз?

  4. Қайтымды және қайтымсыз процестер дегеніміз не? Мысал келтіріңіз.

  5. Жүйенің ішкі энергиясының анықтамасы.

  6. Сізге белгілі барлық күй функцияларын атаңыз.

  7. Химиялық реакция жылу эффектісі дегеніміз не?

  8. Гесс заңы және оның салдарының анықтамасын айтыңыз.

  9. Стандартты түзілу және жану жылуы дегеніміз не?

  10. Стандартты жағдайда реакция жылу эффектісін түзілу және жану жылулары арқылы қалай есептейміз?

  11. Жүйе энтальпиясы мен ішкі энергия арасында қандай байланыс бар?

  12. Меншікті, мольдік, орташа және нақтылы жылусыйымдылық дегеніміз не?

  13. Идеалды газдар үшін мольдік жылусыйымдылықтары Сv және СР қатынасы қалай?

  14. Реакция жылу эффектісінің температурадан тәуелділік теңдеуінің дифференциалдық түрін көрсетіңіз. Кирхгофф заңы.

  15. Реакция барысында кейбір температура аралығында жылусыйымдылық өзгерісі нольден кіші болса, температура өскен сайын реакция жылу эффектісі қалай өзгереді?


Модуль 1. Химиялық термодинамика және тепе-тендік

Дәріс 4,5. Термодинамиканың екінші заңы.

Дәріс жоспары

  1. Термодинамиканың екінші заңы. Әртүрлі процестердегі энтропия өзгерісі.

  2. Химиялық реакциядағы бос энергия. Термодинамикалық потенциалдар.

  3. Гиббс-Гельмгольц теңдеуі


Қысқаша мазмұны

Термодинамиканың екінші заңы
Термодинамиканың екінші заңы химиялық процестердің жүру мүмкіндігін және бағытын сипатайды.

Термодинамиканың екінші заңы процестердің қайтымды және қайтымсыз болуымен байланысты. Қайтымды процесс деп тура және кері бағытта, ал қайтымсыз деп тек бір ғана бағытта жүретін процестерді айтамыз.

Екінші заңның негізгі күй функциясы – энтропия(S). Энтропия – жүйенің біртекті күй функциясы. Энтропия өзгерісі процестің өту жолына тәуелсіз, тек алғашқы және соңғы күйіне байланысты.

Қайтымды және қайтымсыз процестер үшін термодинамиканың 2-ші заңы былай жазылады:



немесе TdSQ (4.1)
Мұндағы теңдік белгісі қайтымды, ал теңсіздік белгісі қайтымсыз процестерді көрсетеді. Оқшауланған жүйеде Q=0, сонда
dS0, ΔS0 (4.2)

  1   2   3   4   5


©dereksiz.org 2016
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет