Раздел 6. Элементы химической термодинамики

Раздел содержит две темы и вопросы для самопроверки.

Законы термодинамики в термохимии

Первый закон термодинамики в термохимии. Тепловой эффект химической реакции. Закон Гесса и его следствия. Зависимость теплового эффекта химической реакции от температуры (закон Кирхгофа). Стандартный тепловой эффект. Второй закон термодинамики в термохимии. Закон действующим масс. Химическое равновесие. Константа равновесия. Степень диссоциации. Свободная энергия и изобарный потенциал (свободная энтальпия) как характеристические функции.

По теме не предусмотрены практические занятия, лабораторные и контрольные работы.

После изучения теоретического материалы следует ответить на вопросы для самопроверки по этой теме. Ответы можно найти в учебниках [1,3].

Основные понятия химической термодинамики

Известно, что молекулы всех веществ состоят из атомов химических элементов, находящихся в определенных соотношениях. Любое вещество состоит из однородных молекул и обладает определенными физическими и химическими свойствами, зависящими от структуры молекул. Если под влиянием каких –либо факторов (теплоты, света, электрического тока и т.д.) структура молекулы изменяется, то данное вещество перестает существовать, а появляется новое вещество с другими свойствами. Процесс превращения одних веществ в другие называется химической реакцией, а участвующие в этом процессе вещества называются компонентами химической реакции.

Химическая реакция может происходить между веществами, находящимися в однофазном (гомогенные реакции) и многофазном (гетерогенные реакции) состояниях. Уравнение реакции, выражающее эквивалентные соотношения между компонентами, называется стехиометрическим уравнением. Молярные (массовые) соотношения между эквивалентными количествами компонентов реакции называются стехиометрическими соотношениями, а смесь, состоящая из компонентов, называется стехиометрической смесью.

Химические реакции сопровождаются обычно выделением (экзотермические) или поглощением (эндотермические) теплоты, которая называется теплотой реакции - Q. Соответственно выделяющая теплота считается положительной, а поглощаемая –отрицательной.

В общем виде формула химической реакции запишется

, (6.1)

где A, B, C, D –компоненты химической реакции; a, b, c , d –коэффициент эквивалентности.

Известно, что основными горючими компонентами органического топлива являются углерод (С) и водород (Н), которые вступают в химическую реакцию с кислородом в определенных соотношениях и рассчитываются по стехиометрическим уравнениям горения следующего вида:

-уравнение окисления углерода C + O₂ = CO₂ + Q_н или при расчете

в массовых долях 1С+2,67О₂ = 3,67СО₂ +33,7 МДж/кг

в объемных долях 1С +1,866О₂ = 1,867СО₂ +33,7 МДж/кг

-уравнение окисления водорода 2H₂ + O₂ = 2H₂O + Q_H или при расчете

в массовых долях 1Н₂ +8О₂= 9Н₂О +142,4 МДж/кг

в объемных долях 1Н₂ +5,6О₂ = 11,2Н₂О +142,4 МДж/кг

При этом коэффициенты эквивалентности горючих компонентов получены из соотношения молярных масс, соответственно уравнение окисления углерода- 1=12/12, кг/кг; 2,67=32/12, кг/кг; 3,67=44/12, кг/кг и для объемных долей, с учетом =1,428, кг/м³ –плотность кислорода и =1,964, кг/м³ при нормальных условиях, 2,67/1,428=1,866, м³/кг; 3,67/1,964=1,867 м³/кг.

Аналогично рассчитываются коэффициенты в уравнении окисления водорода -1=4/4, кг/кг; 8=32/4, кг/кг; 9=36/4, кг/кг и для объемных долей, с учетом =0,805, кг/м³;5,6=8/1,428, м³/кг; 11,2=9/0,805, м³/кг.

В каждой протекающей химической реакции образуется смесь, состоящая из исходных компонентов и продуктов сгорания, которая представляет собой замкнутую термодинамическую систему. Содержание компонентов реакции в этой системе изменяется с течением времени в сторону уменьшения для исходных веществ и в сторону увеличения для конечных веществ. Для характеристики состава многокомпонентной смеси используется концентрация компонентов, под которой понимается количество молекул (или киломолей) в единице объема реагирующей системы.

Таким образом состояние реагирующей системы определяется термодинамическими параметрами –давлением и температурой, а также концентрацией компонентов.