Область науки, изучающая отношение между теплотой и работой, получила название термодинамики. Термодинамика изучает законы превращения энергии, законы перехода одного вида энергии в другой. Превращения энергии подчиняются первому, второму и третьему началам (законам) термодинамики. Причем если первое начало формирует законы взаимного перехода, то второе и третье определяют направленность превращения энергии.

Первое начало термодинамики представляет собой всеобщий закон природы — закон сохранения энергии, открытый М. В. Ломоносовым в 1758 году. Затем он нашел свое развитие в трудах таких ученых, как Г. И. Гесс, Д. Джоуль, Р. Майер, Г. Гельмгольц. Наиболее общей формулировкой закона сохранения энергии является следующая:

Общая сумма энергии материальной системы остается постоянной независимо от изменений, происходящих в ней.

Математически этот закон выражается уравнением:

ΔЕ = const,

где Е — энергия; Δ — сумма; const (сокращенное constant) — постоянный, неизменный.

Из этого закона следует, что энергия данной системы не исчезает и не появляется вновь, а только переходит из одной формы в другую в строго эквивалентных количествах. Это и есть современная формулировка первого закона термодинамики.

Первое начало термодинамики устанавливает связь между количеством энергии, полученной или выделенной системой в каком-либо процессе в виде теплоты Q, количеством произведенной или полученной работы W и изменением внутренней энергии системы ΔU:

ΔU = W ± Q.

Внутренняя энергия (U) является полной энергией системы и представляет собой сумму потенциальной и кинетической энергий всех составляющих частей системы (молекул, атомов, ионов и пр.), за исключением потенциальной и кинетической энергии самой системы как материального тела. Данное уравнение является математическим выражением первого начала термодинамики.

Энергию системы в виде абсолютной величины нельзя определить. На практике проводят измерение величины изменения энергии.

Работа, которая выполняется системой, может быть:

• механической (например, по изменению внешнего объема),

• электрической (зарядка аккумулятора) или

• химической (синтез полипептида из аминокислот).

Энергия, теплота и работа измеряются в одних единицах.

Единицы энергии, работы и теплоты. Джоуль — единица энергии в системе СИ.

1 Дж = 1 кг·м2·с-1

= 1 Н·м

= 1 Вт·с

= 1 Кл·В (кулон · вольт)

1 кал = 4,184 Дж

1 ккал = 1000 кал

= 4,184 кДж

Примеры

1. Работа, которую необходимо совершить для поднятия груза массой 1 кг на высоту 1 м, = 9,807 Дж.

2. Свободная энергия гидролиза 1 моля АТР (трифосфат аденозина — один из компонентов аденилатной системы, которая играет важную роль в энергообмене клеток) при рН = 7 составляет 52,2 кДж или 12,48 ккал.

3. Работа, которую необходимо совершить для повышения концентрации веществ в 1000 раз (например, от 10–6 до 10–3 М), составляет 17,1 кДж или 4,09 ккал.

4. Энергия некоторых веществ: в 1 г вещества содержится:

• углеводов — 17 кДж;

• глюкозы — 15,7 кДж;

• липидов — 39 кДж;

• белков — 17 кДж.

Если процесс изохорный, т. е. если он совершается при постоянном объеме (V = const), то работа не совершается, поскольку при V = const ΔV = 0 и, следовательно:

W = –P · ΔV = 0.

Знак минус в этом уравнении указывает на то, что система работает против сил внешней среды. В этом случае:

ΔU = Qv,

где Qv — количество энергии (Дж/моль или кал/моль), выделенной или поглощенной системой в виде теплоты в ходе процесса при постоянном объеме. Теплота процесса равна изменению внутренней энергии системы и зависит только от конечного и начального состояний системы, т. е.

U2 — U1 = ΔU = Qv.

В реальной жизни часто встречаются изобарные процессы, протекающие при постоянном давлении (Р = const), например, химические реакции, идущие при атмосферном давлении. Изменение внутренней энергии системы в этом случае будет равно

ΔU = U2 — U1 = W + Qp,

где Qp — количество энергии (Дж/моль или кал/моль), выделенной или поглощенной системой в виде теплоты в ходе процесса при постоянном давлении. Поскольку в ходе процессов, идущих при Р = const, объем системы изменяется, то работа в таких процессах будет равна величине

W = –P(V2 — V1).

Отсюда:

U2 — U1 = Qp — P(V2 — V1).

В результате тепловой эффект процесса, протекающего при Р = const, будет равен Qp = U2 — U1 + P(V2 — V1);

Qp = (U2 + PV2) — (U1 + PV1).

Величина (U + PV) обозначается буквой Н и называется энтальпией. Энтальпия, так же как внутренняя энергия, является функцией состояния, т. е. изменение энтальпии (ΔН = H2 — Н1) при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 при постоянном давлении не зависит от пути перехода, а зависит только от величин энтальпии в конечном (2) и начальном (1) состояниях. Таким образом, тепловой эффект процесса, идущего при постоянном давлении, будет равен:

Qp = H2 — Н1 = ΔН.

Следует отметить, что физико-химический смысл функций «внутренняя энергия» и «энтальпия» одинаков. Термин «внутренняя энергия» используется для энергетической характеристики процессов, идущих при V = const, а «энтальпия» — для процессов, идущих при P = const. При этом для конденсированных систем ΔН = ΔU, для газов ΔН ≠ ΔU.

Первое начало термодинамики дает только энергетическую оценку процессов, протекающих при постоянном объеме или постоянном давлении, но не дает никаких указаний о направлении процесса и предела, до которого изучаемый процесс может идти самопроизвольно. На эти вопросы отвечает второе начало термодинамики посредством новой термодинамической функции, которая называется энтропия и обозначается латинской буквой S.

Наблюдения и опыт показывают, что процессы, происходящие в природе, идут в определенном направлении. Жидкость течет от высокого уровня к более низкому, вещество диффундирует из области большей концентрации к меньшей, теплота переходит от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой и т. д. Все эти процессы происходят самопроизвольно. Второе начало термодинамики гласит:

Каждая материальная система сама по себе стремится к состоянию термодинамического равновесия.

Существует другая формулировка 2-го закона термодинамики: энтропия вселенной всегда возрастает.

Таким образом, второй закон термодинамики ограничивает превращение энергии в материальной системе. Клаузиус, подобно Ломоносову, так формулирует второе начало термодинамики: теплота не может сама собой перейти от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

Купить

Внимание! Авторские права на книгу "Физическая и коллоидная химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие" (Под ред. Белопухова С.Л.) охраняются законодательством!

Физическая и коллоидная химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие

Оглавление

Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгу

1. Термохимия. Закон Гесса.
Определение тепловых эффектов химических реакций, теплотворной способности кормов. Определение энтропии реакции

ЛитГид

Помощь

Книги

ЛитГид в соцсетях