Главная | Обратная связь

Температура, теплота, теплоёмкость

Температураявляется свойством, которое характеризует тепловое равновесие между телами. Тела оказываются в тепловом равновесии, когда между ними нет самопроизвольного перехода теплоты. Если состояние А находится в тепловом равновесии с состоянием В, а состояние В – в тепловом равновесии с состоянием С, то состояние А будет также находиться в тепловом равновесии с состоянием С. Эта зависимость проявляет общий характер, и её иногда называют нулевым законом термодинамики.

Если тела, находящиеся в контакте, имеют разные температуры, то теплота будет переходить от нагретого тела к холодному (это одна из формулировок второго закона термодинамики).

Тела могут обладать различными видами энергии, но они не могут обладать теплотой.

Теплота q обычно обнаруживается как форма кинетической энергии, которая переходит от одного тела к другому при разности температур между ними. То же самое можно сказать о теплообмене между системой и окружением. Как и другие формы энергии, теплоту измеряют в джоулях (Дж). Ранее единицей энергии была калория (кал). Соотношение между ними:

 

4,184 Дж = 1 кал.

 

Знак теплоты q определяют в зависимости от того, приводит ли теплообмен к повышению или понижению энергии системы. Согласно термодинамической системе знаков если система принимает теплоту из окружающего пространства, то теплоте приписывают положительный знак (q > 0). Такой процесс является эндотермическим. При передаче теплоты из системы в окружающее пространство энергия системы понижается, и в этом случае принято считать, что теплота имеет отрицательный знак (q < 0), процесс является экзотермическим.

Если тело (вещество) поглощает теплоту, то его температура повышается. Между количеством теплоты, поглощенной (отданной) веществом, и изменением температуры вещества существует прямая пропорциональная зависимость:

 

q = C× m× (T₂-T₁), (6.1)

 

где С – удельная теплоёмкость вещества; m – масса вещества.

Нередко употребляется термин «тепловой эффект химической реакции» Q, который равен теплоте, выделенной или поглощенной системой при протекании в ней химической реакции*. Уравнение химической реакции, в котором указаны тепловой эффект и фазовое состояние веществ, называют термохимическим уравнением.

При измерении теплового эффекта требуется соблюдение следующих условий: система в ходе химической реакции не должна совершать работы иной, чем работа расширения, и температуры продуктов реакции и исходных веществ должны быть равны. Удельная теплоёмкость есть теплота, которая требуется, чтобы повысить температуру одного грамма вещества на один градус по шкале Цельсия (или по шкале Кельвина), Дж / (г×°С). Желательно, чтобы при определении теплоемкости разность температур была наименьшей, т.е.

т.к. величина теплоемкости веществ зависит от температуры и принимается постоянной в небольших интервалах температур.

Молярная теплоемкость.Если количество вещества выразить в молях, то получим молярную теплоёмкость С_n, Дж / (моль × °С).

 

q = C_n× n(T₂-T₁), (6.2)

 

где С_n – молярная теплоёмкость вещества; n – число молей вещества.

Энтальпия

 

 

Величину q_Р определили как новый термодинамический параметр – изменение энтальпии:

q_Р= DН. (6.4)

 

Следовательно, при постоянном давлении

 

DН = DU + nРDV. (6.5)

 

Нельзя забывать, что уравнение (6.5) справедливо при обязательном условии: осуществляется только работа РDV и не совершаются другие типы работы, например, электрическая.

6.4. Изменение энтальпии DН и его измерение

 

Абсолютные значения внутренней энергии и энтальпии веществ не известны, но их изменения поддаются точному измерению.

Энтальпия является функцией состояния системы, и её изменение наблюдается при переходе системы из одного состояния в другое. Изменение состояния системы может происходить в результате физических или химических превращений. Если в результате превращения система перешла от исходного состояния, энтальпию которого условно обозначим Н₁, к конечному, его энтальпию обозначим Н₂, то изменение энтальпии

 

DН = Н₂ – Н₁.

 

В химических реакциях за исходное состояние принимают реагенты, а за конечное – продукты реакции. Тогда

 

DН = Н_{продукты} – Н_{реагенты}.(6.9)

 

Изменение энтальпии в результате химической реакции, или q_р (6.4) измеряют с помощью прибора, который называют калориметром, а метод измерения – калориметрией.

Заметим, что если реакция протекает в сосуде, сохраняющем объем системы неизменным, то измеряемая теплота реакции дает DU, а если реакция идет при постоянном давлении, то измеряют DН. Поскольку необходимо определить величину q_р, измерение осуществляют при постоянном Р, по возможности равном атмосферному давлению. Заметим, что если измеряется DU или DН, то между ними возможен перерасчет с помощью уравнения

 

DН = DU + D(РV).

 

Если в реакции участвуют газы, можно пренебречь объемами жидких и твердых веществ и использовать уравнение идеального газа.

 

Химические реакции могут сопровождаться как выделением (экзотермические), так и поглощением (эндотермические) теплоты. При экзотермических реакциях q отрицательна, DU отрицательна при постоянном объеме и DН отрицательна при постоянном давлении. При эндотермических реакциях q положительна, DU положительна при постоянном объеме и DН положительна при постоянном давлении.