Предмет физической химии Проблемы и методы физической химии

Предмет физической химии. Проблемы и методы физической химии. • Проблемы физической химии: 1. Проблема химического равновесия 2. Проблема скорости химической реакции 3. Проблема связи свойств тела с его структурой и химическим составом 4. Проблема химической связи

• Методы физической химии: 1. Термодинамика 2. Статистическая механика 3. Учение о строении атомов и молекул

• Система – тело или группа тел, находящихся во взаимодействии и фактически или условно обособленных от окружающей среды. • Изолированная система – система, которая не обменивается теплом и работой с окружающей средой, т. е. энергия и объем которой постоянны. • Состояние системы – совокупность физических и химических свойств, характеризующих эту систему.

• Термодинамические параметры – параметры, характеризующие состояние системы. К ним относятся температура, давление, объем, концентрация и др. • Термодинамическим процессом называется всякое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного из термодинамических параметров.

• Функция состояния – параметр, изменение которого зависит только от начального и конечного состояния и не зависит от пути процесса. • Круговой процесс или цикл – процесс, при котором термодинамическая система, выйдя из некоторого начального состояния и претерпев ряд изменений, возвращается в то же самое состояние; в этом процессе изменение любой функции состояния равно нулю.

Первый закон термодинамики • Первый закон термодинамики – частный случай общего закона сохранения энергии. V – объем, занимаемый каким либо телом; p – давление; S – поверхность тела на которое действует давление p; W – механическая работа, совершаемая при расширении этого тела; - расстояние на которое переместится поверхность тела при бесконечно малом расширении

Порция работы, совершаемая телом Работа в конечном процессе: :

• Внутренняя энергия тела (U): - кинетическая энергия движущихся молекул; - потенциальная энергия, т. е. энергия взаимного притяжения и отталкивания молекул; - энергия электронов; - энергия, содержащаяся в атомных ядрах; - лучистая энергия.

U = (T, V) Внутренняя энергия при постоянной температуре зависит от объема, т. е. В идеальном газе внутренняя энергия не зависит от объема, т. е.

U 1 – внутренняя энергия начального состояния системы; U 2 – внутренняя энергия конечного состояния системы Изменение внутренней энергии: U= U 2 - U 1 Внутренняя энергия является функцией состояния.

• Количество тепла Q, приданное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на производство работы: • Q= U+W • Для изолированной системы: Q=0 и W=0 U=0 • Внутренняя энергия изолированной системы постоянна. • Q=d. U+ W

• Q>0 система принимает тепло • Q<0 система отдает тепло • W>0 работа совершается самой системой • W<0 работа совершается над системой

Применение I закона термодинамики к простейшим процессам • Изотермический процесс (T=const) Для идеального газа d. U=0 Q= W Учитывая, что

• Изохорический процесс (V=const) W=pd. V=0, тогда QV=d. U QV = U=U 2 -U 1 Выражение для теплоемкости при постоянном объеме СV: Для идеального газа , можно заменить частную производную полной:

Увеличение внутренней энергии тела при его нагревании от температуры Т 1 до Т 2 определяется величиной интеграла:

• Изобарический процесс (p=const) Условие p=const позволяет вести эту величину под знак дифференциала Энтальпия: H=U+p. V Qp=d. H Qp= H=H 2 -H 1

• Изменение энтальпии характеризует количество тепла, придаваемого системе при изобарическом процессе. • Теплоемкость при постоянном давлении:

Найдем связь между Сp и СV: H=U+p. V

• Адиабатический процесс ( Q=0) W=-d. U W=-Cvd. T Если Сv не зависит от температуры W=Cv(T 1 -T 2)

где

Примеры решения задач 1) а) В процессе асb система получает 800 Дж тепла и совершает 300 Дж работы. Рассчитайте изменение внутренней энергии.

б) На пути adb работа составляет 120 Дж. Рассчитайте количество тепла и изменение внутренней энергии. в) На пути ba W=-220 Дж. Чему равно изменение внутренней энергии и количество тепла?

2) 2 л. азота расширяются при 0 С от 5 атм. до 1 атм. Определите работу расширения. 3) В резервуаре объемом V=0, 5 л. находится азот при Т 1=200 К и р1=0, 5 атм. Хотим увеличить давление до р2=2 атм. Что нужно сделать? Второй вопрос задачи – до какой температуры надо нагреть и какое количество тепла сообщить, причем выразить его в джоулях, калориях и литр-атмосферах.

4) Газ, расширяясь от 0, 01 до 0, 016 м 3 при постоянном давлении 1, 013. 105 Па, поглощает 126 Дж тепла. Определите изменение внутренней энергии. 5) 1 моль гелия подвергается адиабатному сжатию от V 1=1 л. и p 1=1 атм. до V 2=0, 5 л. Найдите , U и W, Т (увеличение температуры).

1) а) U=Q-W=800 -300=500 Дж б) Uadb= Uacb=500 Дж Q= U+W=500+120=620 Дж в) Uba=-500 Дж Qba= U+W=-500 -220=-720 Дж

2) T=const n=0, 45 моля Дж

3) К Для одноатомного идеального газа Для двухатомного идеального газа Для многоатомного идеального газа л-атм

4) W=p(V 2 -V 1)= =1, 013. 105(0, 016 -0, 01)=607, 8 Дж U=Q-W=126 -607, 8=-481, 8 Дж

5) а)

б) К К Т=19, 4 -12, 2 =7, 2 К

в) Дж