ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ВОЛЖСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)
ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГОУНИВЕРСИТЕТА
КАФЕДРА ИНОСТРАННЫХ ЯЗЫКОВ
СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА
(10000 ЗНАКОВ)
Выполнила:
студентгр. ВАУ-227
ГранкинаН.В.
Проверила:
ст.преподаватель
ГалицынаТ.А.
ВОЛЖСКИЙ 2008
THERMODYNAMICSAND THERMOCHEMISTRYThermodynamicsand Energy.
The energy of a bodymay be defined broadly as its capacity for doing work. This energy may takevarious forms, such as kinetic energy of a body in motion, potential energy dueto position, heat energy as measured by the temperature, electrical energy,chemical energy, etc. Chemical and physical processes are almost invariablyaccompanied by energy changes, and results of considerable importance have beenobtained studying the laws underlying these changes. It is this study of energytransformation which constitutes the subject matter of thermodynamics. Althoughthermodynamics may appear to be somewhat theoretical in nature, the two lawshave led to results of fundamental importance to chemistry, as well as tophysics.Conservationof Energy: The First Law of Thermodynamics.
Many attemptshave been made from time to time to realize «perpetual motion», thatis, the continuous production of mechanical work without supplying anequivalent amount of energy from another source. The failure of all suchefforts has led to the universal acceptance of the principle of conservation ofenergy. This principle has been stated in many forms, but essentially theyamount to the fact that although energy can be converted from one form toanother, it cannot be created or destroyed or, alternatively, whenever aquantity of one kind of energy is produced, an exactly equivalent amount ofother kinds must disappear. It is evident that perpetual motion, in thegenerally accepted sense of the term, would be contrary to this principle, forit would involve the creation of energy. Further, the exact equivalence ofmechanical or electrical work and heat, as found by Joule and others, is anecessary consequence of the same principle.
The law ofconservation of energy is purely the result of experience, no exception to ithaving as yet been found. The assumption that it is of universal applicabilityis the basis of the first law of thermodynamics. This law can be stated in anyof the ways given above for the principle of the conservation of energy, orelse it may be put in the following form. The total energy of a system and itssurroundings must remain constant, although it may be changed from one form, toanother.
HeatChanges in Chemical Reactions.
The subject ofthermochemistry deals with the heat changes accompanying chemical reactions. Aswill be seen shortly the laws of thermochemistry are based-largely on theprinciple of the conservation of energy or the first law of thermodynamics.Different substances have different amounts of internal (chemical) energy, andso the total energy of the products of a reaction is generally different fromthat of the reactants; hence, the chemical change will be accompanied by theliberation or absorption of energy, which may appear in the form of heat. Ifheat is liberated in the reaction the process is said to be exothermic, but ifheat is absorbed it is described as endothermic. The majority of, although notall, chemical reactions which go to virtual completion at ordinary temperaturesare exothermic in character, since they are accompanied by an evolution ofheat. If a chemical reaction is associated with a volume change, as isparticularly the case for many processes involving the combination of gases,the magnitude of the heat change will depend on whether the reaction is carriedout at constant pressure or at constant volume. Since many reactions normallyoccur at constant (atmospheric) pressure it is the usual practice to recordheat changes by quoting the value of qp, the heat absorbed atconstant pressure; this may, of course, be identified with ΔH, theincrease of heat content under the same conditions. This quantity is oftenreferred to as the heat of reaction; it represents the difference in the heatcontents of the reaction products and of the reactants, at constant pressureand at definite temperature, with every substance in a definite physical state.From the value of qp(or ΔH) the value of gv(orΔE) can be readily determined if the volume change ΔVat the constant pressure P is known as will be seen below.
The heat changeaccompanying a reaction, for example, that between solid carbon (graphite) andgaseous oxygen to yield carbon dioxide gas, is represented in the form of athermochemical equation, as follows:
C(s) + 02(g)= C02(g) ΔH = -94.00 kcal.
This meansthat when 12.01 grams of solid carbon (graphite) and 32 grams of gaseous oxygen react completely to yield 44.01 grams of gaseous carbon dioxide, at constant pressure, there is a decrease in heat content, since ΔH isnegative, of 94 kilocalories (kcal.), i. e., 94,000 calories. It is thegeneral practice in modern thermochemical work to express results inkilocalories because the statement of heat changes in calories implies anaccuracy greater than is usually attainable experimentally. It should be noted,incidentally, that the ΔH (or ΔE) values always referto completed reactions, appropriate allowance having been made, if necessary,if the process does not normally go to completion.
The symbols g,/, and s, placed in parentheses after the formula indicate whether thesubstance taking part in the reaction is gas, liquid or solid. Reactions takingplace in aqueous solution are indicated by the symbol aq;thus,
HCl(aq) + NaOH(aq) = NaCl(aq) + H2O)
ΔH= 13.70 kcal.
Strictlyspeaking the use of aq implies that the reaction is occurring in suchdilute solution that the addition of further water causes no detectable heatchange.
A negativevalue of ΔH, as in the two instances quoted above, means that thereaction is accompanied by a decrease in heat content; that is to say, the heatcontent of the products is less than that of the reactants at a specifiedtemperature, in other words, the reaction at the given temperature isassociated with an evolution of heat. It follows, therefore, that when ΔHis negative the reaction is exothermic; similarly, if ΔH ispositive the process is endothermic. The same conclusions can be reacheddirectly from the fact that qp, which is equal to ΔH,the heat absorbed in the reaction; hence, when ΔH is negative heatis actually evolved.SpontaneousProcesses.
The second law ofthermodynamics has led to results which are of considerable importance tochemistry, physics and engineering, but to the chemist its greatest valueprobably lies in the fact that it provides a means of foretelling whether aparticular reaction can occur, and if so to what extent. However,thermodynamics can only indicate if the reaction is possible or not; otherconsiderations which lie outside thermodynamics are necessary to determinewhether the process will take place slowly or rapidly. Even with thislimitation in mind, it must be admitted that information concerning thefundamental possibility of a reaction, apart from its speed, would be of greatinterest to the chemist. At one time it was believed that chemical changesalways occurred spontaneously in the direction of heat evolution that is, inthe direction leading to a decrease in the heat content. This conclusion is,however, manifestly incorrect, as is evident from the fact that many reactionswhich take place spontaneously are known to involve an absorption of heat.
The questionbeing considered resolves itself into the problem of understanding theconditions under which spontaneous processes in general take place. It isconvenient in this connection to examine some physical processes that are ofspontaneous occurrence; the conclusions drawn are found to be applicable to allchanges that tend to take place without external influence. Consider, forexample, a bar of metal that is hot at one end and cold at the other; heat willbe conducted spontaneously along the bar from the hot end to the cold end untilthe temperature is uniform. It is important to note, however, that this processis not found to reverse itself spontaneously; it has not been observed that ametal bar of uniform temperature spontaneously becomes hotter at one end andcolder at the other.
ТЕРМОДИНАМИКА ИТЕРМОХИМИЯТермодинамика иЭнергия
Энергия тела может бытьопределена в широком смысле как его способность выполнять работу. Эта энергияможет иметь различные формы, такие как кинетическая энергии движущегося тела,потенциальная энергия; энергия нагрева, определяемая температурой; электрическаяэнергия, химическая энергия, и т.д. Химические и физические процессы почтивсегда сопровождаются изменениями энергии, и очень важные результаты былиполучены, при изучении законов, лежащих в основе этих изменений. Изучениеименно этих законов преобразования энергии составляет предмет термодинамики.Хотя термодинамика, может показаться, несколько теоретической по своей природе,так как два закона привели к фундаментальным результатам как в химии, так и вфизике.Закон СохраненияЭнергии: Первый Закон Термодинамики
Много попыток былосделано, для того чтобы понять «непрерывное движение », то естьнепрерывное “производство” механической работы без подачи эквивалентногоколичества энергии от другого источника. Неудача всех этих попыток привела кпринятию универсального принципа сохранения энергии. Этот принцип былсформулирован во многих формах, но по существу они составляют факт, что, хотяэнергия может быть преобразована из одной формы в другую, она не можетпоявиться из ничего или исчезнуть или, альтернативно, всякий раз, когдаколичество одного вида энергии произведено, точно такое количество других видовдолжно исчезнуть. Очевидно, что бесконечное движение, как термин в общепринятомсмысле, противоречил бы этому принципу, поскольку из этого следует появлениеэнергии из ничего. Значит точная эквивалентность механической или электрическойработы и нагрева, как доказано Джоулем и другими, является необходимымследствием того же самого принципа.
Закон сохранения энергии- результат опыта, никакое опровержение этому пока еще не было найдено.Предположение, что он имеет универсальную применимость – основание для первогозакона термодинамики. Этот закон может быть выведен одним из способов, данныхвыше для принципа сохранения энергии, или он может выглядеть следующим образом.Полная энергия системы и окружающей ее среды должна остаться постоянной, хотяона может переходить из одной формы, в другую. Изменение теплоты приХимических Реакциях
Предмет термохимия имеетдело с изменениями степени нагрева тела, сопровождающими химическими реакциями.Как было замечено, законы термохимии основаны в значительной степени напринципе сохранения энергии или первом законе термодинамики. Различные веществаимеют различную внутреннюю (химическую) энергию, так что полная энергияпродуктов реакции в общем отличается от энергии реагирующих веществ;следовательно, химическая реакция будет сопровождаться выделением илипоглощением энергии, которая может проявляться в форме нагрева. Если тепловыделяется в процессе реакции, процесс называют — экзотермическим, и если теплопоглощается, то эндотермическим. Большинство, хотя не все, химические реакции,которые происходят при обычных температурах — экзотермические по характеру, таккак они сопровождаются выделением тепла. Если химическая реакция связана сизменением объема, что особенно свойственно многим процессам в смеси газов,величина изменения энергии будет зависеть от того, проведена ли реакция припостоянном давлении или при постоянном объеме. Так как большинство реакций обычнопроисходят при постоянном (атмосферном) давлении легко фиксировать измененияэнергии, определяя значение qp –тепло, поглощенное при постоянном давлении; оно может, конечно, быть определенос ΔH – увеличение количества теплотыудовлетворяющее тем же самым условиям. Она часто упоминается как теплота выделившаясяпри реакции; она представляет собой изменение степени нагрева продуктов реакциии реагентов, при постоянном давлении и при определенной температуре, с каждымвеществом в определенном физическом состоянии. Значение qp (или ΔH) значение gv(или ΔE) могут быть с точностью определены,если изменение объема ΔV припостоянном давлении P известно, какбудет замечено ниже.
Изменение теплоты,сопровождающее реакцию, например, между твердым углеродом (графитом) игазообразным кислородом, получается углекислый газ, что представлено в форметермохимического уравнения, следующим образом:
C (s) + 02 (g)= C02 (g)?
H = -94.00 ккал.
Это означает, что, когда 12.01 грамм твердого углеродистого (графита) и 32 грамма газообразного кислорода реагируют полностью,для получения 44.01 грамма газообразного диоксида углерода, при постоянномдавлении, характерно уменьшение теплоты, так как ΔH отрицательна в 94 килокалории., т.е. 94,000 калории. Общаяпрактика в современной термохимии заключается в том, чтобы выражать результатыв килокалориях, потому что определение изменения теплоты в калорияхподразумевает, что экспериментально достижимая точность большее чем обычно.Нужно отметить, кстати, что значение ΔH (или ΔE)всегда относится к законченным реакциям.
Символы g, l, и s,помещенные в круглые скобки после формулы указывают, является ли вещество,принимающее участие в реакции газообразным, жидким или твердым. Реакции,имеющие место в водном решении обозначены символом aq; таким образом,
HCl (aq) + NaOH (aq) = NaCl (aq) + H2O)
ΔH = 13.70 ккал.
Строго говоряиспользование aq подразумевает, что реакциявстречается в таком растворенном состоянии, что дальнейшей добавление воды невызывает никакое обнаружимое изменение теплоты.
Отрицательное значениеΔH, как в этих двух случаях, указанныхвыше, означает, что реакция сопровождается уменьшением количества теплоты; тоесть теплота вступивших в реакцию веществ меньше чем в продуктах реакции приуказанной температуре, другими словами, реакция при данной температуре проходитс выделением тепла. Это следует из того, что когда ΔH отрицательна, то есть реакцияэкзотермическая; или, если ΔHположительна, то процесс эндотермический. Те же самые заключения могут бытьдостигнуты непосредственно из факта, что qp, который является равным ΔH — теплота, поглощенная в реакции; следовательно, когдаΔH – отрицательная, теплота выделяетсяфактически.Спонтанные Процессы
Второй законтермодинамики привел к результатам, которые значительны в химии, физике, но дляхимика большая ценность, вероятно, в том, что он обеспечивает возможностипредсказывания, то есть, может ли специфическая реакция происходить, и если такдо какой степени. Однако, термодинамика может только указывать, является лиреакция возможной или нет; другие соображения лежат вне термодинамики – этонеобходимость определить будет ли процесс протекать медленно или быстро. Даже сэтим ограничением в памяти, нужно признать, что информация относительно фундаментальнойвозможности реакции, кроме ее скорости, имела бы большую цену для химика.Раньше считалось, что химические реакции всегда происходили спонтанно внаправлении выделения теплоты, то есть, в направлении, ведущем к уменьшению вΔH. Это заключение, однако, явнонеправильно, так как очевиден факт, что много реакций, которые происходятспонтанно, как известно, происходят с поглощением теплоты.
Рассматриваемый вопросприводит к проблеме понимания условий, при которых спонтанные процессы вообще происходят.Это удобно для того, чтобы исследовать некоторые физические процессы, которыеимеют непосредственное проявление; полученные заключения, должны бытьприменимыми ко всем реакциям, которые имеют место без внешнего воздействия.Рассмотрим, например, брусок металла, который является горячим с одной стороныи холодным с другой; нагрев будет происходить неуправляемо по бруску с горячегоконца к холодному концу, пока температура не станет однородной. Важно обратитьвнимание, что этот процесс полностью изменяется самостоятельно спонтанно; ненаблюдалось, что металлический брусок однородной температуры спонтанностановится более горячим в одном конце и более холодным в другом.
Vocabulary
to accompany –сопровождать
a conservation– сохранение
an absorption– поглощение
exothermic – экзотермическая
endothermic – эндотермическая
to occur – происходить
to dilute – растворять
a extent – степень
to admit – допустить(признать)
to resolve – решать
amount — количество
acceptance — принятие
heat – нагрев, тепло
depend — зависеть
pressure — давление
increase — увеличение
represent — представлять
substance – вещество (сущность)
speed — скорость
particular – специфический