Сборник основных формул по химии для ВУЗов

Работа W – форма передачи энергии путем упорядоченного движения частиц (макроскопических масс) под действием каких-либо сил. W 0, если окружающая среда совершает работу над системой. [W] = Дж.

Вся работа делится на механическую работу расширения (или сжатия) и прочие виды работы (полезная работа): W = —pdV + W'.

Стандартное состояние твердых и жидких веществ – устойчивое состояние чистого вещества при данной температуре под давлением р = 1атм.

Стандартное состоянии чистого газа – состояние газа, подчиняющееся уравнению состояния идеального газа при давлении 1 атм.

Стандартные величины – величины, определенные для веществ, находящихся в стандартном состоянии (обозначаются надстрочным индексом ⁰).

1.1. Первое начало термодинамики

Энергия неуничтожаема и несотворяема; она может только переходить из одной формы в другую в эквивалентных соотношениях.

Первое начало термодинамики представляет собой постулат – оно не может быть доказано логическим путем или выведено из каких-либо более общих положений.

Первое начало термодинамики устанавливает соотношение между теплотой Q, работой W и изменением внутренней энергии системы U.

Изолированная система

Внутренняя энергия изолированной системы остается постоянной.

U = const или dU = 0

Закрытая система

Изменение внутренней энергии закрытой системы совершается за счет теплоты, сообщенной системе, и/или работы, совершенной над системой.

U =Q +W или dU = Q + W

Открытая система

Изменение внутренней энергии открытой системы совершается за счет теплоты, сообщенной системе, и/или работы, совершенной над системой, а также за счет изменения массы системы.

U =Q +W + U_m или dU = Q + W + _iU_idn_i

Внутренняя энергия является функцией состояния; это означает, что изменение внутренней энергии U не зависит от пути перехода системы из состояния 1 в состояние 2 и равно разности величин внутренней энергии U₂ и U₁ в этих состояниях:

U =U₂ – U₁

Для некоторого процесса:

U = (v_iU_i)_npoд – (v_iU_i)_исх

1.2. Применение первого начала термодинамики к гомогенным однокомпонентным закрытым системам

Изохорный процесс (V = const; V = 0)

В простейшем случае – полезная работа не совершается.

dU = Q + W = Q – pdV

dU = Q_v = C_VdT = nC_VdT

Все количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии.

– теплоемкость при постоянном объеме, т. е. количество теплоты, необходимое для повышения температуры системы на один градус при постоянном объеме. [С_V] = Дж/град.

^C_V – мольная теплоемкость при постоянном объеме, Дж/(моль x град). Для идеальных газов:

^C_V = ²/₃R – одноатомный газ;

^C_V = ⁵/₂R – двухатомный газ.

Изобарный процесс (Р = const)

dU = Q + W = Q – pdV

Q_p = dU + pdV = d(U + pV) = dH

H = U + pV – энтальпия – функция состояния системы.

Н = (_iU_i)_прод – (_iU_i)_исх

Q_p = dU + pdV =dH = C_pdT – тепловой эффект изобарного процесса равен изменению энтальпии системы.

– теплоемкость при постоянном давлении. [С] = Дж/град.

^C_р – мольная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(моль x град).

Для идеальных газов: ^C_р = ^C_V + R; ^C_р, ^C_V = [Дж/(моль • К)].

Тепловой эффект (теплота) химической реакции – количество теплоты, выделившейся либо поглотившейся в ходе реакции при постоянной температуре.

Q_v = U_V

Q_p = U_p

Зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Закон Кирхгоффа

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

Закон Кирхгоффа:

Для химического процесса изменение теплоемкости задается изменением состава системы:

С_р = (_iC_p,i)_прод – (_iC_p,i)_исх или C_V = (_iC_V,i)_прод – (_iC_V,i)_исх

Интегральная форма закона Кирхгоффа:

Н_Т2 = Н_Т1 + С_р(Т₂ – T₁) или U_T2 = U_Ti + С_V(Т₂ – T₁)

1.3. Второе начало термодинамики. Энтропия

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

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

3) Существует некоторая функция состояния системы, названная энтропией, изменение которой следующим образом связано с поглощаемой теплотой и температурой системы: