Химическая термодинамика представляет собой раздел физической химии, изучающий законы превращения энергии в химических процессах и определяющий направления их протекания. В её основе лежит анализ тепловых эффектов, работы, изменения энтальпии, энтропии и энергии Гиббса. Главная задача — установление зависимости между термодинамическими параметрами системы и условиями, при которых реакции могут протекать самопроизвольно.
Термодинамическая система — это часть пространства, выделенная для изучения, на которую обращается внимание исследователя. Всё остальное пространство называется окружающей средой.
Различают:
Состояние системы описывается набором величин, называемых термодинамическими параметрами.
К основным параметрам относятся:
Параметры делятся на интенсивные (не зависят от количества вещества, например T и p) и экстенсивные (пропорциональны количеству вещества, например V, U, H, S).
Основным законом является закон сохранения энергии: ΔU = Q – A, где ΔU — изменение внутренней энергии системы, Q — количество теплоты, подведённое к системе, A — работа, совершённая системой.
Внутренняя энергия определяется как сумма всех видов энергии, связанных с движением и взаимодействием атомов и молекул.
Энтальпия (H) введена для удобства описания процессов при постоянном давлении. Она определяется как H = U + pV.
Изменение энтальпии при постоянном давлении равно тепловому эффекту процесса: ΔH = Qp.
Эта величина является основной характеристикой теплового эффекта химической реакции.
Химические процессы подчиняются закону возрастания энтропии.
Энтропия (S) — мера беспорядка системы, характеризующая распределение энергии между микросостояниями. Для обратимых процессов при температуре T: dS = δQrev / T.
В изолированных системах энтропия никогда не убывает: ΔS ≥ 0.
Для характеристики процессов при различных условиях вводят функции:
Условие самопроизвольности реакции: ΔG < 0. При ΔG = 0 система находится в состоянии равновесия.
Равновесие в химической системе достигается тогда, когда скорости прямой и обратной реакции становятся равными. С термодинамической точки зрения, это состояние минимальной энергии Гиббса при заданных T и p.
Константа равновесия выражается через стандартное изменение энергии Гиббса: ΔG° = –RT ln K, где R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура, K — константа равновесия.
Термохимия рассматривает тепловые эффекты химических реакций. Её основой являются закон Гесса и стандартные энтальпии образования веществ.
Закон Гесса утверждает: тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути её протекания.
Таким образом, термохимические расчёты позволяют определять энтальпию реакции по известным энтальпиям образования реагентов и продуктов: ΔH°реакции = ΣΔH°образования(продуктов) – ΣΔH°образования(реагентов).
Эти функции позволяют предсказывать направление химических процессов, рассчитывать тепловые эффекты реакций и условия равновесия, что составляет основу химической термодинамики.