Химическая термодинамика и биоэнергетика. Первый закон термодинамики

Сентябрь 9, 2022

Главная
Химия
Химическая термодинамика и биоэнергетика. Первый закон термодинамики

Содержание

2. План лекции Общие понятия Классификация термодинамических систем Первый закон термодинамики Энтальпия Тепловой эффект химической реакции Закон
3. Виды энергетических эффектов Практически любая реакция сопровождается энергетическим эффектом: Выделением или поглощением тепла Света Электричества Совершением
4. Предмет химической термодинамики Изучает законы, которые управляют энергетическими эффектами химических и биохимических реакций Переход энергии из
5. Особенности химической термодинамики Имеет дело только с макроскопическими объектами Не использует в своих законах понятие времени
6. Термодинамическая система Произвольно выбранная часть пространства, заполненная одним или совокупностью нескольких веществ и отделенная от окружающей
7. Термодинамические параметры системы Объем системы Масса системы Масса или концентрация компонентов Температура Давление
8. Функции состояния системы Энергетические характеристики, которые зависят от термодинамических параметров, характеризующих состояние, и не зависят от
9. Классификация систем Изолированная – система не обменивается с внешней средой ни энергией, ни веществом Закрытая –
10. Гомогенная – система, которая включает в себя один или несколько компонентов в одном агрегатном состоянии, не
11. Первый закон термодинамики Это частное выражение более общего закона природы о сохранении материи и ее движения
12. Математическое выражение Для изолированной системы общий запас внутренней энергии остается постоянным ΔЕ = 0 Для закрытой
13. Полная энергия системы Кинетическая – энергия движения системы как целого Потенциальная – энергия, обусловленная положением системы
14. Внутренняя энергия (Е) Кинетическая энергия поступательного, вращательного и колебательного движения частиц в системе Потенциальная энергия взаимодействия
15. Формы обмена энергией Работа – упорядоченная форма передачи энергии, сопровождающаяся переносом частиц вещества в определенном направлении
16. Работа В химических процессах наиболее часто встречается механическая работа, связанная с преодолением внешнего давления, действующего на
17. Пример А = рΔV ΔV = V2 – V1
18. Тепловой эффект химической реакции Относят к 1 молю вещества и к определенному агрегатному состоянию Реакция эндотермическая:
19. Примеры тепловых эффектов Значение тепловых эффектов химических реакций колеблется от 4 до 4000 кДж/моль
20. Энтальпия (теплосодержание) Н Химические реакции могут протекать: При постоянном давлении – изобарные процессы При постоянном объеме
21. Большинство реакций – изобарные. Для них: Q = ΔE + A; A = pΔV Q =
22. Определение Энтальпия – функция состояния, приращение которой равно теплоте, полученной системой в изобарном процессе Для термохимических
23. Стандартная энтальпия образования вещества (ΔН°298) Для сложного вещества: изменение энтальпии системы ΔН, сопровождающееся образованием 1 моля
24. Стандартные теплоты образования некоторых соединений
25. Закон Гесса Суммарный тепловой эффект реакции не зависит от промежуточных состояний и путей перехода, а зависит
26. Следствия из закона Гесса №1. Тепловой эффект реакции равен разности сумм теплот образования продуктов реакции и
27. №3. Тепловой эффект образования вещества равен тепловому эффекту разложения с обратным знаком (частный закон Лавуазье-Лапласа) ΔН°298
28. №5. Если протекают 2 реакции, из разных начальных состояний приводящие к одинаковым конечным, то разница тепловых
29. Применение I закона термодинамики к живым организмам Живой организм – открытая система Энергия не продуцируется организмом,
30. Виды работ в организме Сокращение мышечных волокон Активный перенос веществ через клеточные мембраны Химическая работа по
31. Теплота сгорания 1г пищевых веществ (в кДж) В организме белки сгорают до продуктов неполного окисления, а
32. Изучение энергетического баланса организма Калориметрия: Прямая – человека помещают в изолированную камеру, определяют количество теплоты, излучаемой
33. Дыхательный коэффициент Соотношение между объемом выделенного СО2 и поглощенного О2
34. Калорический эквивалент кислорода Количество теплоты, выделяющейся при утилизации 1л О2
36. Скачать презентацию

Слайд 2

План лекции
Общие понятия
Классификация термодинамических систем
Первый закон термодинамики
Энтальпия
Тепловой эффект химической реакции
Закон Гесса

Слайд 3

Виды энергетических эффектов
Практически любая реакция сопровождается энергетическим эффектом:
Выделением или поглощением тепла
Света
Электричества
Совершением

работы

Слайд 4

Предмет химической термодинамики
Изучает законы, которые управляют энергетическими эффектами химических и биохимических

реакций
Переход энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой
Возможность и направление протекания самопроизвольных процессов

Слайд 5

Особенности химической термодинамики
Имеет дело только с макроскопическими объектами
Не использует в своих

законах понятие времени
Не изучает скорость процессов, изучает различные состояния системы

Слайд 6

Термодинамическая система
Произвольно выбранная часть пространства, заполненная одним или совокупностью нескольких веществ

и отделенная от окружающей среды реальной или гипотетической (мысленной) поверхностью раздела
Например, раствор веществ в колбе – система, а воздух, отделенный поверхностью раздела и стеклом – внешняя среда

Слайд 7

Термодинамические параметры системы
Объем системы
Масса системы
Масса или концентрация компонентов
Температура
Давление

Слайд 8

Функции состояния системы
Энергетические характеристики, которые зависят от термодинамических параметров, характеризующих состояние,

и не зависят от способа достижения данного состояния системы (внутренняя энергия Е, энтальпия Н)

Слайд 9

Классификация систем
Изолированная – система не обменивается с внешней средой ни энергией,

ни веществом
Закрытая – система обменивается с внешней средой энергией, но не обменивается массой
Открытая – система обменивается с внешней средой и энергией и массой

Слайд 10

Гомогенная – система, которая включает в себя один или несколько компонентов

в одном агрегатном состоянии, не имеющих поверхности раздела
Гетерогенная – система, которая включает в себя несколько компонентов в различном агрегатном состоянии, имеющих поверхность раздела
Физически гомогенная часть системы, которую можно отделить механическим путем – фаза

Слайд 11

Первый закон термодинамики
Это частное выражение более общего закона природы о сохранении

материи и ее движения
Разные формы энергии не исчезают и не возникают из ничего, а переходят друг в друга в строго эквивалентном соотношении

Слайд 12

Математическое выражение
Для изолированной системы общий запас внутренней энергии остается постоянным
ΔЕ =

0
Для закрытой системы энергия, полученная системой в форме теплоты расходуется на увеличение внутренней энергии и на совершение работы
Q = ΔЕ + А

Слайд 13

Полная энергия системы
Кинетическая – энергия движения системы как целого
Потенциальная – энергия,

обусловленная положением системы в каком-либо внешнем поле
Внутренняя - энергия, которой обладают атомы и молекулы и освобождающаяся при химических или физических процессах

Слайд 14

Внутренняя энергия (Е)
Кинетическая энергия поступательного, вращательного и колебательного движения частиц в

системе
Потенциальная энергия взаимодействия между частицами (притяжения и отталкивания)
Потенциальная энергия, обусловленная силами межмолекулярной (межатомной) химической связи и конфигурации молекул
E = ? ΔЕ = Е2 – Е1
Измеряют в ккал/моль или в кДж/моль

Слайд 15

Формы обмена энергией
Работа – упорядоченная форма передачи энергии, сопровождающаяся переносом частиц

вещества в определенном направлении (работа расширения)
Теплообмен – неупорядоченная форма передачи энергии; происходит в результате хаотического теплового движения молекул и не сопровождается переносом вещества

Слайд 16

Работа
В химических процессах наиболее часто встречается механическая работа, связанная с преодолением

внешнего давления, действующего на систему, в которой протекает химическая реакция с изменением объема реагирующих веществ

Слайд 17

Пример
А = рΔV
ΔV = V2 – V1

Слайд 18

Тепловой эффект химической реакции
Относят к 1 молю вещества и к определенному

агрегатному состоянию
Реакция эндотермическая: +Q
Реакция экзотермическая: -Q
2H2(г) + O2(г) = 2H2O(ж) ; Q = -285 кДж/моль
2H2(г) + O2(г) = 2H2O(г) ; Q = -242 кДж/моль
2H2(г) + O2(г) = 2H2O(ж) + 570 кДж

Слайд 19

Примеры тепловых эффектов
Значение тепловых эффектов химических реакций колеблется от 4

до 4000 кДж/моль

Слайд 20

Энтальпия (теплосодержание) Н
Химические реакции могут протекать:
При постоянном давлении – изобарные процессы
При

постоянном объеме – изохорные
При постоянной температуре – изотермические
Система не обменивается теплотой с окружающей средой – адиабатические

Слайд 21

Большинство реакций – изобарные. Для них:
Q = ΔE + A; A

= pΔV
Q = ΔE + pΔV
ΔE = E2 – E1; ΔV = V2 – V1
Q = E2 – E1 + pV2 – pV1 = (E2 + pV2) – (E1 + pV1)
E1 + pV1 = H1; Е2 + рV2 = Н2
Q = H2 – H1 = ΔH
Величина теплового эффекта для изобарного процесса равна изменению энтальпии, если единственным видом работы является работа расширения

Слайд 22

Определение
Энтальпия – функция состояния, приращение которой равно теплоте, полученной системой в

изобарном процессе
Для термохимических расчетов необходимо, чтобы энтальпии реакции были отнесены к стандартным условиям, иначе значения ΔН будут несопоставимы:
Р = 1атм; Т = 298°К (25°С)

Слайд 23

Стандартная энтальпия образования вещества (ΔН°298)
Для сложного вещества: изменение энтальпии системы ΔН,

сопровождающееся образованием 1 моля вещества из простых веществ при стандартных условиях
Для простого вещества: ΔН°298 в стандартном состоянии условно считают равной 0 (О2)
Для многих реакций изменение энтальпии можно рассчитать с помощью справочных таблиц стандартных энтальпий образования продуктов и исходных веществ

Слайд 24

Стандартные теплоты образования некоторых соединений

Слайд 25

Закон Гесса
Суммарный тепловой эффект реакции не зависит от промежуточных состояний и

путей перехода, а зависит только от начального и конечного состояния системы

Слайд 26

Следствия из закона Гесса
№1. Тепловой эффект реакции равен разности сумм теплот

образования продуктов реакции и сумм теплот образования исходных веществ с учетом количества всех молей, участвующих в реакции
ΔН°298 = ∑ Н°298 - ∑ Н°298
реакции тепл. обр. продуктов тепл. обр. исходных вв
№2. Тепловой эффект реакции равен разности сумм теплот сгорания исходных веществ и сумм теплот сгорания продуктов реакции
ΔН°298 = ∑ Н°298 - ∑ Н°298
реакции тепл. сгор. исходных вв тепл. сгор. продуктов

Слайд 27

№3. Тепловой эффект образования вещества равен тепловому эффекту разложения с обратным

знаком (частный закон Лавуазье-Лапласа)
ΔН°298 = - ΔН°298
образования разложения
№4. Если протекают 2 реакции, приводящие из одинаковых начальных состояний к разным конечным состояниям, то разница тепловых эффектов этих реакций будет равна тепловому эффекту перехода одного конечного состояния в другое
2H2(г) + O2(г) = 2H2O(Ж); Q = -285 кДж
2H2(г) + O2(г) = 2H2O(г); Q = -242 кДж

Слайд 28

№5. Если протекают 2 реакции, из разных начальных состояний приводящие к

одинаковым конечным, то разница тепловых эффектов этих реакций будет равна тепловому переходу одного начального состояния в другое
C(уголь) + O2 = CO2(г); Q = 393 кДж
C(графит) + O2 = CO2(г); Q = 409 кДж

Слайд 29

Применение I закона термодинамики к живым организмам
Живой организм – открытая система
Энергия

не продуцируется организмом, а выделяется при окислении питательных веществ
Энергия пищи накапливается в организме постепенно в виде химической энергии макроэргических связей (АТФ и др.), а не в виде теплоты
По мере необходимости энергия макроэргических связей расходуется на совершение всех видов работ

Слайд 30

Виды работ в организме
Сокращение мышечных волокон
Активный перенос веществ через клеточные мембраны
Химическая

работа по синтезу органических соединений, входящих в состав тканей организма

Слайд 31

Теплота сгорания 1г пищевых веществ (в кДж)
В организме белки сгорают до

продуктов неполного окисления, а в кислороде окисление полное

Слайд 32

Изучение энергетического баланса организма
Калориметрия:
Прямая – человека помещают в изолированную камеру, определяют

количество теплоты, излучаемой живым организмом, выделяющегося СО2 и др. продуктов метаболизма, расход О2 и питательных веществ
Непрямая – используют расчеты на основании дыхательных коэффициентов и калорического эквивалента кислорода

Слайд 33

Дыхательный коэффициент
Соотношение между объемом выделенного СО2 и поглощенного О2

Слайд 34

Химическая термодинамика и биоэнергетика. Первый закон термодинамики

Содержание

План лекцииОбщие понятияКлассификация термодинамических системПервый закон термодинамикиЭнтальпияТепловой эффект химической реакцииЗакон Гесса

Виды энергетических эффектовПрактически любая реакция сопровождается энергетическим эффектом:Выделением или поглощением теплаСветаЭлектричестваСовершением

Предмет химической термодинамикиИзучает законы, которые управляют энергетическими эффектами химических и биохимических

Особенности химической термодинамикиИмеет дело только с макроскопическими объектамиНе использует в своих

Термодинамическая системаПроизвольно выбранная часть пространства, заполненная одним или совокупностью нескольких веществ

Термодинамические параметры системыОбъем системыМасса системыМасса или концентрация компонентовТемператураДавление

Функции состояния системыЭнергетические характеристики, которые зависят от термодинамических параметров, характеризующих состояние,

Классификация системИзолированная – система не обменивается с внешней средой ни энергией,

Гомогенная – система, которая включает в себя один или несколько компонентов

Первый закон термодинамикиЭто частное выражение более общего закона природы о сохранении

Математическое выражениеДля изолированной системы общий запас внутренней энергии остается постояннымΔЕ =

Полная энергия системыКинетическая – энергия движения системы как целогоПотенциальная – энергия,

Внутренняя энергия (Е)Кинетическая энергия поступательного, вращательного и колебательного движения частиц в

Формы обмена энергиейРабота – упорядоченная форма передачи энергии, сопровождающаяся переносом частиц

РаботаВ химических процессах наиболее часто встречается механическая работа, связанная с преодолением

ПримерА = рΔVΔV = V2 – V1

Тепловой эффект химической реакцииОтносят к 1 молю вещества и к определенному

Примеры тепловых эффектов Значение тепловых эффектов химических реакций колеблется от 4

Энтальпия (теплосодержание) НХимические реакции могут протекать:При постоянном давлении – изобарные процессыПри

Большинство реакций – изобарные. Для них:Q = ΔE + A; A

ОпределениеЭнтальпия – функция состояния, приращение которой равно теплоте, полученной системой в

Стандартная энтальпия образования вещества (ΔН°298)Для сложного вещества: изменение энтальпии системы ΔН,