Энергия Гиббса. Внутренняя энергия и энтальпия

Внутренняя энергия и энтальпия.

Тепловые эффекты химических реакций.

Термохимические уравнения.

Закон Гесса.

Энтальпии образования и энтальпии сгорания веществ.

Теплота нейтрализации.

Энтропия системы. Уравнение Больцмана.

Энергия Гиббса.

Термодинамика изучает законы, которые описывают энергетические превращения, сопровождающие физические, химические и биологические процессы. Одним из основных понятий термодинамики является понятие "система".

Система - это тело или группа взаимодействующих тел, реально или мысленно выделенных из окружающей среды.

В зависимости от однородности различают гомогенные и гетерогенные системы.

Гомогенная система - это однородная система, в которой нет частей различающихся по свойствам и разделенных поверхностями раздела. Например: воздух, вода, истинные растворы, плазма крови.

Гетерогенная система - это разнородная система, состоящая из двух или более частей, разделенных поверхностью раздела, где свойства системы резко меняются. Например: цельная кровь, т.е. плазма с клетками - эритроцитами и лейкоцитами; смесь воды и масла и др. Часть гетерогенной системы, ограниченная физическими границами раздела, называется фазой. Таким образом, гомогенные системы являются однофазными, а гетерогенные - двухфазными или многофазными.

Живые системы являются гетерогенными, так как они всегда отделены от окружающей среды оболочкой. В каждой живой клетке имеется множество различных мембран, отделяющих составные части клетки друг от друга.

В зависимости от характера обмена энергией и веществом с окружающей средой выделяют три типа систем: изолированные, закрытые и открытые.

Изолированная система - это система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией (∆m = 0, ∆Е = 0).

Закрытая система - это система, которая обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом (∆m = 0, ∆Е ≠ 0).

Открытая система обменивается с окружающей средой как веществом, так и энергией (∆m ≠ 0, ∆Е ≠ 0).

Абсолютно изолированных систем в природе нет. Живой организм представляет собой открытую систему, жизнедеятельность которой связана с постоянным обменом веществом и энергией с окружающей средой.

Состояние системы характеризуется определенной совокупностью физических и химических величин, которые называются параметрами системы. К ним относятся, масса (т), количество вещества (n), температура (Т), давление (Р), концентрация (с). Значение параметра можно измерять непосредственно.

Для характеристики состояния системы наряду с параметрами используют функции состояния. Их значения рассчитывают по соответствующим формулам исходя из значений параметров, которые описывают данное состояние системы.

Значения параметров и функций состояния системы определяются только состоянием системы. Поэтому при переходе системы из одного состояния в другое изменение этих величин не зависит от пути перехода, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы, т.е. их значениями в этих двух состояниях.

Переход системы из одного состояния в другое называется процессом.

Процессы разделяют в зависимости от изменения параметров системы на изотермические (Т= соnst, Т= 0); изобарические (р = соnst, р = 0); изохорические (V = соnst, V = 0); адиабатные (Q=0).

Процессы, протекающие в организме человека, осуществляются при постоянных температуре и давлении, т.е. являются изобарно-изотермическими.

Для описания энергетического состояния системы используется ее функция состояния - внутренняя энергия (Е, кДж/моль).

Внутренняя энергия системы (Е) – это полная энергия системы, включающая все виды энергии молекул, атомов, электронов и энергию внутри ядра, т.е. внутренняя энергия системы равна сумме потенциальной и кинетической энергии всех частиц, составляющих систему (кроме потенциальной и кинетической энергии системы в целом).

Абсолютное значение внутренней энергии системы определить невозможно. Экспериментально можно определить изменение внутренней энергии DЕ, происходящее в процессе перехода системы из одного состояния в другое при взаимодействии ее с окружающей средой. Схематично это можно представить следующим образом:

При взаимодействии системы с окружающей средой обмен энергией может осуществляться в виде теплоты и работы. Упорядоченную форму передачи энергии называют работой, неупорядоченную форму - теплотой.

Работа (W) - энергетическая мера направленных форм движения частиц в процессе взаимодействия системы с окружающей средой. Работу, производимую системой над окружающей средой, в термодинамике считают положительной, при этом внутренняя энергия системы уменьшается.

Теплота (Q) - энергетическая мера хаотических форм движения частиц в процессе взаимодействия системы с окружающей средой. Если система получает некоторое количество энергии, передаваемое в форме тепла, то теплота считается положительной, при этом внутренняя энергия системы увеличивается.

Таким образом, изменение внутренней энергии системы обусловлено работой, которая совершается при взаимодействии системы с окружающей средой, и передачей теплоты между средой и системой. Соотношение между этими величинами составляет содержание первого начала термодинамики. Первый закон (первое начало) термодинамики впервые был сформулирован немецким физиком Ю. Майером в 1842 г. Известно несколько формулировок первого начала термодинамики:

1. Энергия не исчезает и не возникает из ничего, а только превращается из одного вида в другой в строго эквивалентных количествах.

2. Внутренняя энергия изолированной системы есть величина постоянная.

3. Вечный двигатель первого рода невозможен, т.е. невозможно создать двигатель, который совершал бы работу без затрат энергии.

4. Если к закрытой системе подвести теплоту Q, то эта энергия расходуется на увеличение внутренней энергии системы ^Е и на совершение системой работы против внешних сил окружающей среды:

Q = ∆Е + W

В изобарно-изотермических условиях, характерных для функционирования живых организмов, совершаемая работа W = p ∆V, тогда

Q = ∆Е + р∆V = (Е₂ – Е₁) + (рV₂ – pV₁) = (E₂ + pV₂) – (E₁ + pV₁)