«ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ" Коробов Михаил Валерьевич mkorobov49@gmail.com. - презентация

1 «ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ" Коробов Михаил Валерьевич

2 Физическая химия: Химическая термодинамика (I) Статистическая термодинамика (I) Химическая кинетика (II) Электрохимия (II) Математика Классическая физика Органическая химия Неорганическа я химия Аналитика Энзимология Любая область химии Квантовая механика

3 Что могут химические термодинамика и кинетика? N 2, H 2 Количество, Т, p NH 3, побочные продукты Какие продукты образуются? Сколько? Сколько теплоты при этом выделится? (Термодинамика) Как быстро пойдет реакция? (Кинетика) Оптимальные температуры и давления!

4 Три закона (начала) термодинамики

5 Система Термодинамическая система (или просто система ) – часть пространства, которая составляет предмет исследований химической термодинамики. Система должна иметь реальную (или виртуальную) границу и содержать большое число молекул. То, что находится вне системы, называется окружающей средой. Термодинамическая система (или просто система ) – часть пространства, которая составляет предмет исследований химической термодинамики. Система должна иметь реальную (или виртуальную) границу и содержать большое число молекул. То, что находится вне системы, называется окружающей средой.

6 Мир = Система + окружающая среда Среда Система Среда

7 Что здесь не система ?? 1.Бак с плотно закрытой крышкой. Внутри – жидкая вода. 2.Человек. 3.Бак с плотно закрытой крышкой. Внутри - десять атомов гелия. 4. Бак с плотно закрытой крышкой. Внутри - воздух и 56 граммов железа.

8 Система называется закрытой, если между ней и окружающей средой возможны все типы взаимодействий, кроме обмена веществом. Примером закрытой системы является баллон с газом и т.д. Открытой называют систему, которая может обмениваться с окружающей средой и веществом, и энергией. Примером открытой системы является человеческий организм. Система называется закрытой, если между ней и окружающей средой возможны все типы взаимодействий, кроме обмена веществом. Примером закрытой системы является баллон с газом и т.д. Открытой называют систему, которая может обмениваться с окружающей средой и веществом, и энергией. Примером открытой системы является человеческий организм. Какие бывают системы ?

9 Системы бывают… Изолированными (не могут обмениваться веществом и энергией со средой). Закрытыми, с постоянными T и V Закрытыми, с постоянными T и p ………………………..

10 Параметры системы Состояние системы определяется набором макроскопических физических параметров. Состояние системы определяется набором макроскопических физических параметров.

11 Что здесь не параметр? Температура T, объем V, давление p Размер атомов Масса системы M, n = M/m Энергия системы, U Всего параметров: к +2 К – число веществ, входящих в систему

12 Параметры связаны друг с другом ! У системы есть «уравнение состояния» Идеальные (разреженные) газы: Твердые и жидкие вещества Всего параметров: к +2

13 Мы познакомились с понятиями: Среда Система Параметры системы

14 Законы термодинамики – это… Аксиомы, основанные на опытных данных. Их можно опровергнуть одним контрпримером, но таких пока нет. Пример обычного физического закона: V = nRT/p

15 Первый закон термодинамики. У каждой системы есть функция состояния, называемая внутренней энергией, U. dU = ( Q) + ( А) + ( Z)(1). Он может быть сформулирован так: в любом процессе в системе изменение внутренней энергии (±dU) происходит за счет теплоты, сообщенной системе ( ± Q), работы ( ± А), совершенной системой и добавки вещества (± Z ). Изменение U в закрытой системе определяется уравнением (2). dU = ( Q) + ( А) (2).

16 Работа А – форма передачи энергии. Форма взаимодействием системы с окружающей средой. Работа = сила перемещение Работа А – форма передачи энергии. Форма взаимодействием системы с окружающей средой. Работа = сила перемещение Работа

17 F, (p =F/S) dx, (dV=Sdx) Механическая работа, δА S

18 Как считать работу? Р внут Р внеш V

19 Как считать работу?

20 Теплота Q – другая форма передачи энергии. Форма взаимодействия системы с окружающей средой. Теплообмен! Теплота = теплоемкость изменение температуры Теплота Q – другая форма передачи энергии. Форма взаимодействия системы с окружающей средой. Теплообмен! Теплота = теплоемкость изменение температуры Теплота

21 Доска Как считать (измерять) теплоту?

22 Энергия Внутренняя энергия, U – общий запас энергии системы. Он включает все виды энергии движения и взаимодействия частиц, составляющих систему: атомов, ядер, молекул, электронов. Но в нее не входит кинетическая энергия системы в целом и потенциальная энергия в поле внешних сил. Внутренняя энергия, U – общий запас энергии системы. Он включает все виды энергии движения и взаимодействия частиц, составляющих систему: атомов, ядер, молекул, электронов. Но в нее не входит кинетическая энергия системы в целом и потенциальная энергия в поле внешних сил.

23 Её особенность: изменение внутренней энергии U, зависит только от параметров конечного и начального состояния и не зависит от пути проведения процесса. Поэтому внутреннюю энергию U называют функцией состояния. U(2)-U(1) = Q+A Её особенность: изменение внутренней энергии U, зависит только от параметров конечного и начального состояния и не зависит от пути проведения процесса. Поэтому внутреннюю энергию U называют функцией состояния. U(2)-U(1) = Q+A Функция состояния, U

24 Внутренняя энергия – функция состояния U(n,T 1 p 1, ) U(n,T 2 p 2 ) = Q+A

25 Как считать внутреннюю энергию ? Только по первому закону !! Только изменение внутренней энергии, а не её абсолютное значение !! dU = ( Q) + ( А) + ( Z) (1). dU = ( Q) + ( А) (2).

26 Как cчитать изменение внутренней энергии? dU = ( Q) + ( А) + ( Z) (открытая система) dU = ( Q) + ( А)(закрытая система) dU = 0 (изолированная система)

27 Как cчитать изменение внутренней энергии? dU = ( Q) – p внеш dV (закрытая) dU = ( Q) – pdV (закрытая, p внеш = р) dU = (c р dT) – pdV (закрытая, p внеш = р, с = c р )

28 Как cчитать изменение внутренней энергии?

29 Закон сохранения энергии ? 900 kJ δ Q =0 δА =0 ΔU=? CH 4 + O 2 dU = ( Q) + ( А)

30 Закон эквивалентности теплоты и работы ? A, 427 г*м Q, 1 кал L ΔTΔT

31 В чем разница между теплотой и работой ? А Q U = 8 U=13

32 Первый закон термодинамики: Вводит понятие внутренняя энергия, U, и позволяет рассчитать (измерить ?) изменение U в различных процессах. Это - закон сохранения энергии. Это – закон эквивалентности теплоты и работы

33 Что можно рассчитать с помощью Первого закона ? Изменения внутренней энергии при химической реакции плавлении испарении растворении …………любом процессе!

34 Что можно рассчитать с помощью Первого закона ? Теплоты процессов: нагревания химической реакции плавления испарения растворения …………любого процесса! Теплоты зависят от пути процессов ???

35 Как посчитать теплоту нагревания ? Т1Т1 Т2Т2 ΔU = ΔU Q = Q ??

36 Внутренняя энергия – функция состояния U(T 1 p 1 ) U(T 2 p 2 )

37 Система переходит из состояния «1» в состояние «2»… Теплота всех процессов при постоянном объеме одинакова Теплота всех процессов при постоянном давлении одинакова Закон Гесса

38 В двух случаях теплота точно определена… Объем системы в ходе процесса постоянен Давление в системе в ходе процесса постоянно

39 Доска Как считать (измерять) теплоту? Теплота нагревания сухого воздуха 10 г, 30 до 100 С, объем постоянен

40 Первый и Второй законы. dU = ( Q) + ( А)(1). У каждой системы есть функция состояния, называемая внутренней энергией, U. Изменение U в закрытой системе определяется уравнением (1). dS = ( Q)/ T + dS i (2). У каждой системы есть функция состояния, называемая ЭНТРОПИЕЙ, S. Изменение S в закрытой системе определяется уравнением (2).

41 Второй закон: равновесные и самопроизвольные процессы В равновесном процессе dS = ( Q)/ T В самопроизвольном процессе dS = ( Q)/ T + dS i dS i >0, производство энтропии!

42 Равновесное и самопроизвольное расширение газа p внут = p внеш = p p внут > p внеш = p 2 T = const

43 Самопроизвольный процесс: перенос тепла от более нагретой к менее нагретой части системы T1>T1>T2T2 δQ = 0

44 Примеры самопроизвольных процессов Выравнивание температуры Выравнивание плотности Выравнивание концентраций Протекание химической реакции Растворение, плавление, испарение dS i > 0

45 Примеры равновесных процессов Медленное расширение газа (p внут = p внут ) Медленное нагревание (Т 1 = Т 2 ) Квазистатические процессы. dS i = 0

46 Как измерить изменение энтропии ?

47 Что такое энтропия ? S = k lnW = 0S = k lnW = k ln 24 ! U,V = const, ΔS i >0

48 Из математики: Если дифференциал функции (dS) >0, то такая функция S возрастет. Если дифференциал функции (dS) < 0, то такая функция S убывает. Если дифференциал функции (dS) = 0, то такая функция S достигла максимума или минимума или она - константа.

49 Второй закон в системах с постоянными U и V U,V - const S Самопроизвольный процесс Равновесие Энтропия вселенной возрастает!

50 S,V - const U Самопроизвольный процесс Равновесие Второй закон в системах с S,V – const. dU= Q-pdV= Q

51 Второй закон термодинамики: Вводит понятие энтропии, S, и позволяет рассчитать её изменение в различных равновесных процессах Делит все процессы на равновесные и самопроизвольные Позволяет находить состояние равновесия систем.

52 Третий закон термодинамики Энтропия системы при абсолютном нуле температуры (энтропия идеального кристалла) равна нулю. Третий закон (вместе со Вторым законом) позволяет рассчитывать абсолютную энтропию системы!

53 Расчет абсолютной энтропии

54 Сегодня мы обсуждали: Первый, Второй, Третий законы термодинамики Понятия система, параметры системы, работа, теплота, внутренняя энергия, функция состояния, энтропия; производство энтропии, самопроизвольный и равновесный процессы

55 Что можно почитать? Конспект лекций (Весенний семестр). Лекции 1,2 и 4. П. Эткинс, Дж. Де Паула «Физическая химия». 1, гл. 2, 3, 4.

56 Задача 1 Первый закон термодинамики для закрытой системы, где объем не изменяется, имеет вид

57 Задача 2 Система, которая может обмениваться веществом с окружающей средой, называется 1. открытой 2. закрытой 3. равновесной 4. изолированной

58 Задача 3 В системе происходит самопроизвольный процесс. Энтропия системы при этом 1.должна расти 2.может расти, а может падать 3.не меняется 4.должна падать

59 Задача 4 Система расширяется при постоянном внешнем давлении от объема V(1) до V(2). Работа расширения равна 1.нулю 2.p (V(2)-V(1)) 3.-p (V(2)-V(1)) 4.-p внеш (V(2)-V(1))

60 Задача 5 Любой самопроизвольный процесс сопровождается 1.ростом энтропии системы 2.ростом внутренней энергии системы 3.падением внутренней энергии системы 4.производством энтропии

61 Задача 6 Систему нагрели от температуры Т(1) до температуры T(2). Теплота, полученная системой, равна 1.ΔН 2.ΔU 3.Ср (Т(2)-T(1) 4.нельзя посчитать, нужно знать еще и совершенную системой работу

62 Задача 7 Говорят, что увеличение энтропии есть увеличение хаоса. Какой из процессов ведет к увеличению энтропии? 1.замерзание воды 2.плавление железа 3.сжатие газа 4.конденсация пара

63 Задача 8 В изолированной системе может 1.расти внутренняя энергия 2.расти энтропия 3.падать энтропия 4.падать внутренняя энергия

64 Задача 9 Внутренняя энергия системы увеличилась на 100 кДж. Чему равна сумма полученной теплоты и совершенной работы ? кДж кДж Неизвестно!

65 Задача 10. Моль идеального газа нагрели на 10 градусов при постоянном давлении. При этом он расширился и совершил работу. Теплоемкость газа равна 5/2 R. R=8.314 Дж/моль/град. На сколько изменилась внутренняя энергия газа? Дж/моль Дж/моль Дж/моль ,7 Дж,моль