При постоянном объеме системы, когда V = const, а изменение объема DV = 0 (изохорные условия, реализуемые, например, в автоклавах) полная энергия системы называется внутренней энергией и обозначается символом U. При постоянном давлении P = const (наиболее часто реализуемые условия, называемые изобарными), кроме внутренней энергии U, необходимо учитывать также работу расширения Арасш.= p·DV, которая совершается с изменением температуры при изменении объема вещества за счет его термического расширения или сжатия. В этом случае полный запас энергии системы, называется энтальпией, обозначается символом Н и, в соответствие с законом сохранения полной энергии, складывается из внутренней энергии U и работы расширения Арасш.,
H = U + Арасш.= U + p·DV. (1)
Энтальпию Н можно рассматривать как меру полной энергии такой системы, которая способна изменять свой объем.
Величина полной энергии вещества огромна, но абсолютное ее значение неизвестно. Поэтому в термодинамических расчетах используют не абсолютные значения U и H, а их изменения DU и DH, связанные с переходом вещества из одного состояний в другое, например, при химических превращениях вещества. Эти изменения рассчитываются как разница между величинами U и H для конечных (Uкон., H кон.) и начальных (Uнач., H нач.) состояний системы, т.е. для продуктов реакции и исходных веществ.
DU = Uкон.-Uнач.,
DH = H кон.-H нач..
Очевидно, что такая простая процедура расчета возможна только потому, что внутренняя энергия U и энтальпия Н являются функциями состояния системы и не зависят от пути перехода системы из одного состояния в другое, а определяются только значениями в конечном и исходном состояниях.
Если вещества, образующиеся при реакции, обладают меньшим запасом полной энергии, чем вещества, вступающие в реакцию, то в процессе реакции эта энергия выделяется (наиболее часто в виде теплоты Q, но возможны также и другие формы энерговыделения - излучение света, звука, например, при взрыве). Такие реакции, сопровождающиеся понижением полной энергии системы (DНреак. < 0, DUреак. < 0), называются экзотермическими (в общем случае – экзоэнергетическими).
Если вещества, образующиеся при реакции, обладают большим запасом полной энергии, чем вещества, вступающие в реакцию, то при протекании этой реакции необходимая энергия в виде теплоты будет поглощаться из окружающей среды. Такие реакции,сопровождающиеся повышением полной энергии системы (DНреак. > 0, DUреак. > 0), называются эндотермическими (в общем случае - эндоэнергетическими).
Количество теплоты Q (в общем случае - энергии), которое выделяется или поглощается при химической реакции, называется тепловым (энергетическим) эффектом реакции. Тепловые (энергетические) эффекты химических реакций, протекающих в изохорных условиях (V = const), возникают при изменении внутренней энергии системы, поэтому QV = DUреак. При протекании реакции в наиболее распространенных – изобарных (P = const) условиях такой тепловой (энергетический) эффект связан с изменением энтальпии при химическом превращении и называется энтальпией химической реакции DНреак, т.е. Qр = DНреак.
Таким образом, при протекании химической реакции в физико-химической системе происходит не только изменение химического состава составляющих ее веществ, но и изменение полной энергии системы за счет выделения энергии в окружающую среду или поглощения ее извне. Часто этот энергообмен осуществляется в форме теплоты и работы за счет повышения или понижения химической составляющей полной энергии системы. Несколько упрощая, можно считать, что полная энергия физико-химической системы складывается из кинетической энергии поступательного, колебательного и вращательного движений всех составляющих вещества, в том числе самых элементарных из известных в настоящее время частиц - кварков, а также потенциальной энергии взаимодействия всех этих составляющих. Химической энергией является та часть полной энергии вещества, которая вносится в систему суммарной кинетической энергией электронов, ионов и более крупных составляющих вещества - атомов, молекул, различного рода надмолекулярных образований, а также суммарной потенциальной энергией их взаимодействия, определяющейся характером химической связи вещества. При протекании химических реакций изменяется только химическая составляющая полной энергии системы.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.