Химические следствия законов термодинамики

После усвоения материала главы 11 студент должен: знать

• • термодинамические критерии направленности химических процессов;
• • объединенное уравнение первого и второго законов термодинамики;
• • уравнения изотермы, изобары и изохоры химической реакции, уравнение Планка — Ван-Лаара, принцип Лс Шатсльс — Брауна;
• • число степеней свободы гетерогенной термодинамической системы; уметь
• • рассчитывать параметры химических реакций;
• • определять направление смещения химического равновесия при изменении параметров состояния системы;

владеть

• • методами расчета параметров химических реакций;
• • методами расчета констант равновесия, равновесных концентраций веществ;
• • методами расчета изменения энергии Гиббса и определения направления самопроизвольного протекания химических реакций.

Объединенное уравнение первого и второго законов термодинамики

В природе одновременно действуют две тенденции: стремление к минимуму энергии и к максимуму хаоса. Первая тенденция соответствует первому, а вторая — второму закону термодинамики. Для описания результата их совместного действия, нужны критерии, учитывающие одновременно обе тенденции. Для этих целей нужно объединить первый и второй законы термодинамики.

Такое объединение привело к открытию двух новых термодинамических функций состояния:

• • свободной энергии системы при изобарно-изотермических условиях G;
• • свободной энергии системы при изохорно-изотермических условиях F.

Эти функции называются энергиями Гиббса (G) и Гельмгольца (F). Названы они в честь выдающихся ученых — американского математика, физика и физикохимика Джозайя Уилларда Гиббса (1839—1903) и немецкого физика, математика, физиолога и психолога Германа Гельмгольца (1821—1894).

Через известные нам термодинамические функции энтальпии и внутренней энергии и температуру G и Fвыражаются следующими соотношениями:

Изменения энергии Гиббса AG_{P т} в ходе изобарно-изотермических (Р, Т= = const) процессов и изменение энергии Гельмгольца ДF_{v т} в ходе изохорноизотермических процессов (V, Т — const) являются выражениями для максимальной работы в этих процессах W_max:

В эти уравнения входят и члены, относящиеся к первому закону термодинамики (энтальпия Я, внутренняя энергия U, работа в форме W,_{nax р т} и W_max у _г), и описываемая вторым законом термодинамики функция энтропия 5. Вот почему эти уравнения называются объединенными уравнениями первого и второго законов термодинамики. На практике индексы, фиксирующие условия протекания процессов (Р, V, Т), часто опускаются, и уравнения без индексов подразумевают изобарно-изотермические условия для функции AG и изохорно-изотермические — для функции А/'.