Лекция Термодинамика физико-химических процессов." Кафедра химии ВятГГУ

в химических реакциях;

возможность самопроизвольного протекания реакций в данных

Термодинамика - наука о превращении одних веществ в другие

только энергией

Изолированные – нет обмена ни веществом, ни энергией

Равновесные –

в одностороннем направлении.

молекул в данной системе.
ЭНТАЛЬПИЯ

H = U + pV

+ Q =

отражает стремление системы к минимуму
При изобарном процессе подводимое тепло расходуется

энергии системы.

расходоваться на увеличение внутренней энергии и совершение работы:



В изолированной системе

и адсорбционное свойства мелкораздробленной платины. Одним из первых изучил состав

ГЕСС Герман Иванович
(7.8.1802-12.12 1850)

Закон Гесса

Тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояний реагирующих веществ, а не от числа стадий процесса.

перехода.

равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции и суммой

этана С2Н6.

суммой теплот сгорания исходных веществ и суммой теплот сгорания продуктов

Подавляющее большинство органических соединений нельзя синтезировать непосредственно из простых веществ и одновременно определить теплоту образования этих соединений.
Поэтому за основу для расчета берут экспериментально легко определяемые теплоты (энтальпии) сгорания.

равна нулю!
Стандартная теплота сгорания оксидов также равна нулю!

функцию, которая должна отвечать двум требованиям:

быть функцией состояния

Возможность самопроизвольного протекания реакций

Бертло и Томсон, сформулировали принцип, согласно которому
самопроизвольно протекает экзотермическая реакция (∆Н < 0).
Однако, процесс растворения поваренной соли в воде происходит самопроизвольно и с поглощением тепла.

термос с двумя слоями жидкости «сироп - газированная вода». Через

Поскольку система изолированная, ΔН=0 и ΔЕ=0.
Вместе с тем, очевидно, что ее состояние изменилось – произошло перераспределение компонентов внутри системы.
Это изменение как раз и характеризуется увеличением энтропии: ΔS>0.

углублениями имеется четыре шарика, которые при встряхивании могут переходить из

Всего имеется 70 различных расположений шариков. Шанс всем четырем шарикам собраться в начальном положении составляет 1/70 или 0,014.
В молекулярных системах число возможных расположений молекул огромно и быстро возрастает с увеличением количества вещества и размеров системы.

2. Молекулярно-кинетический смысл

больше вариантов распределения этих частиц, тем выше значение энтропии.
Энтропия (S)

Без постороннего вмешательства невозможен ни один процесс, результатом которого является повышение порядка, то есть уменьшение энтропии!

Занимал профессорские должности в университетах Вены, Граца, Мюнхена и

R – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К)

Na – постоянная Авогадро (6,02·1023)

ω - число вероятных состояний системы

Уравнение Больцмана
( связь энтропии с числом вероятных состояний )

(формулу он завещал выбить
на своей могильной плите).

для обратимых процессов было выведено Р.Клаузиусом:

В обратимых изотермических

( Дж/град к )

3. Термодинамический смысл

термосе с водой при 273о К (0оС), для чего к

Изменение энтропии в обратимом изотермическом процессе
зависит только от начального и конечного состояний и не зависит
от пути перехода, следовательно, энтропия также относится к
функциям состояния!

– больше, чем твердого вещества.

Рост температуры и

В случае идеально упорядоченного кристалла при температуре 0 К его энтропия S=0.

теоретически рассчитать абсолютные значения энтропии S0
(что невозможно для функций

Абсолютные значения энтропии используются для вычисления стандартных энтропий образования веществ.

3Н2 + 0.5О2  С2Н5ОН.

Подстановка значений Sо

Энтропия образования вещества (ΔS°образ) - разность между
суммами абсолютных энтропий продуктов реакции (S°np.) и абсолютных энтропий реагирующих веществ (S°pear).

стремление системы к упорядочению, поскольку процесс сопровождается уменьшением внутренней энергии.

работу (связанная энергия), и отражает стремление системы к максимуму беспорядка
Выражение

является энергия Гиббса G
(изобарно-изотермический потенциал):

G = H - TS

ГИББС Джозайя Уиллард
(11.02.1839-28.04.1903)

Один из основоположников термодинамики.
Разработал (1875–1878) теорию термодинамических потенциалов. Предложил (1878) графическое изображение состояния трехкомпонентной системы (треугольник Гиббса). Заложил основы термодинамики поверхностных явлений и электрохимических процессов, ввел понятие адсорбции.

– характеризует часть энергии системы, которую можно превратить в работу

Связь ∆G и К равновесия

При стандартных условиях (2980К, [ ] =1моль/л)

процессы, для которых ΔG < 0;
II закон термодинамики
2. Критерием равновесия

Изменение энергии Гиббса химической системы при протекании в ней химической реакции

к ней также применим закон Гесса:

Важный пример

В клетках организма эта реакция осуществляется через
целый ряд последовательных стадий:

= (Т1–Т2)/Т1 (часть тепла всегда расходуется на увеличение внутренней энергии);
Формулировки

В изолированных системах самопроизвольно могут совершаться только такие процессы, в которых энтропия системы возрастает ∆S >0

Тепло не может переходить от более холодного тела к горячему

В любой изолированной системе полная энергия остается постоянной ∆U=0, а полная энтропия только повышается ∆S >0

молекул прекращается, число вероятных состояний W=1,

III закон термодинамики:

идеального кристалла при абсолютном нуле равна нулю.
III закон термодинамики:

теорию кислот как акцепторов пары электронов и оснований как доноров

Именно поэтому реакции лучше протекают при высоких температурах

4. С повышением Т направление реакции зависит от величины изменения энтропии и, чем выше Т, тем энтропийный фактор значительнее!

протекают многостадийно.




2. Биологическое развитие организма возможно только в системе,

Особенности термодинамики биохимических поцессов.

энтропии внешней среды (поступающие с низким значением энтропии белки, углеводы,

Жизнь - постоянная борьба против тенденции к возрастанию энтропии.

Живые организмы выбрали «наименьшее зло» - стационарное состояние, котором возрастание энтропии минимально.

единицу времени ∆S / ∆t принимает минимальное положительное значение

экзэргоническими (∆G

Карл Брюллов
«Итальянский полдень»
(1827 г.)

гетерогенного, лигандообменного баланса) объясняют его устойчивость,
позволяющую ему в течение

Кислотно-основной
Окислительно-восстановительный
Металло-лигандный
Гидрофильно-липофильный
Водно-электролитный

Основным источником энергии для него является химическая энергия, заключенная в

Биоэнергетика

углеводы расщепляются до моносахаридов, которые далее окисляются до СО2 и

Покрытие энергетических затрат
55–60%

Норма суточного потребления -
360-500 г

При правильном питании суточное потребление углеводов должно
по массе в 4-5 раз превышать количество белков или жиров

крупы)

Вещества, молекулы которых состоят из остатков -аминокислот, связанных в длинные

калорийность 16,5-17,2 кДж/г
(4 – 4.2 ккал/г)

покрытие энергетических
затрат -15–20 %.

Норма суточного потребления 80–100 г,
(при тяжелом физическом труде 130 -140 г)

и R" — радикалы жирных кислот. наибольшее значение из которых

Покрытие энергетических затрат - 20–25 %

Норма суточного потребления – 90-100 г

(масло растительное и животное, яйцо, говядина)

потребления воды, поскольку при окислении 100 г жира образуется около

Жир, запасаемый верблюдом в горбу, позволяет ему в течение многих дней сохранять трудоспособность, не утоляя жажды.

грамотно, можно съесть гораздо больше вкусных вещей, чем кажется!

мы страдали бы от простуд, нам бы угрожали рак и

Именно витамин Е отвечает за прозрачность хрусталика

человеком пищи) с расходом энергии, который зависит в первую очередь

работе в сидячем положении:
канцелярские работники, секретари, портные, мастера точной

столяры, токари, трактористы, учащиеся, студенты - 3000-3600 ккал 12500-15100 кДж

Михаил Нестеров
«Портрет хирурга Сергея Юдина»
1933 г.

– 4000- 5000 ккал (16700-20900 кДж )
Аркадий Пластов
«Обед трактористов»
1961

до 7200 ккал ( 30100 кДж )
Григорий Мясоедов «Косари», 1887 г.