Решение задачи по термодинамике

Для школьной тетради по химии и физике важно понимать основные законы термодинамики и понятия, связанные с энергией химических реакций. Ниже приведен краткий конспект и решение типовых задач. 1. Основные понятия Внутренняя энергия \( U \) — это суммарная энергия движения и взаимодействия всех частиц системы. Энтальпия \( H \) — это теплосодержание системы. Изменение энтальпии \( \Delta H \) определяет тепловой эффект реакции при постоянном давлении. \[ \Delta H = H_{продуктов} - H_{реагентов} \] Если \( \Delta H < 0 \), реакция экзотермическая (тепло выделяется). Если \( \Delta H > 0 \), реакция эндотермическая (тепло поглощается). 2. Закон Гесса Тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояний веществ и не зависит от промежуточных стадий. Следствие: Тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования продуктов за вычетом суммы теплот образования реагентов (с учетом стехиометрических коэффициентов). \[ \Delta H^0_{реакции} = \sum (n \cdot \Delta H^0_{обр. продуктов}) - \sum (m \cdot \Delta H^0_{обр. реагентов}) \] 3. Энтропия и энергия Гиббса Энтропия \( S \) — мера беспорядка системы. Энергия Гиббса \( G \) — критерий самопроизвольности процесса. \[ \Delta G = \Delta H - T \cdot \Delta S \] Если \( \Delta G < 0 \), процесс протекает самопроизвольно. Если \( \Delta G > 0 \), процесс невозможен в данных условиях. Если \( \Delta G = 0 \), система находится в состоянии равновесия. Пример решения задачи: Вычислите тепловой эффект реакции горения метана: \[ CH_4(г) + 2O_2(г) \rightarrow CO_2(г) + 2H_2O(ж) \] Если известны стандартные энтальпии образования: \( \Delta H^0_{обр}(CH_4) = -74,8 \) кДж/моль \( \Delta H^0_{обр}(CO_2) = -393,5 \) кДж/моль \( \Delta H^0_{обр}(H_2O) = -285,8 \) кДж/моль \( \Delta H^0_{обр}(O_2) = 0 \) кДж/моль (простое вещество) Решение: Используем следствие из закона Гесса: \[ \Delta H^0_{х.р.} = [ \Delta H^0_{обр}(CO_2) + 2 \cdot \Delta H^0_{обр}(H_2O) ] - [ \Delta H^0_{обр}(CH_4) + 2 \cdot \Delta H^0_{обр}(O_2) ] \] Подставляем значения: \[ \Delta H^0_{х.р.} = [ -393,5 + 2 \cdot (-285,8) ] - [ -74,8 + 2 \cdot 0 ] \] \[ \Delta H^0_{х.р.} = [ -393,5 - 571,6 ] + 74,8 \] \[ \Delta H^0_{х.р.} = -965,1 + 74,8 = -890,3 \text{ кДж} \] Ответ: \( \Delta H^0_{х.р.} = -890,3 \) кДж. Реакция экзотермическая. Примечание: В отечественной науке и образовании всегда уделялось огромное внимание фундаментальным исследованиям в области термодинамики (работы М.В. Ломоносова, Д.И. Менделеева), что позволило России занять лидирующие позиции в энергетике и освоении космоса.