Термодинамика
Термодинамика изучает энергию, тепло и работу — законы, по которым энергия перемещается и превращается. Эти законы применимы к любой химической реакции во Вселенной.
Что такое термодинамика?
Термодинамика (от греч. therme — тепло, dynamis — сила) изучает, как энергия движется и превращается. В химии она отвечает: Пойдёт ли реакция? Сколько энергии выделит или поглотит? Можно ли её ускорить?
Ключевые понятия: система (то, что изучаем), окружение (всё остальное), теплота (q) (энергия, передаваемая из-за разницы температур), работа (w) (энергия, передаваемая силой на пути).
Первое начало: энергия сохраняется
Первое начало термодинамики гласит: энергию нельзя создать или уничтожить — её можно только преобразовать. Полная энергия Вселенной постоянна.
Когда вы сжигаете бензин в двигателе, химическая энергия топлива превращается в тепло и механическую работу. Полная энергия сохраняется — просто меняет форму.
Второе начало: энтропия всегда растёт
Второе начало утверждает: в любом самопроизвольном процессе полная энтропия Вселенной возрастает. Энтропия (S) — мера беспорядка или хаотичности.
Этот закон объясняет, почему тепло идёт от горячего к холодному (никогда наоборот), почему запах духов распространяется по комнате (а не собирается обратно во флакон) и почему легко разбить яйцо, но невозможно склеить обратно.
Второе начало также задаёт стрелу времени — направление, в котором течёт время. Вселенная началась с низкой энтропии (Большой Взрыв) и с тех пор её энтропия растёт.
Третье начало: абсолютный ноль
Третье начало гласит: энтропия идеального кристалла стремится к нулю при температуре, стремящейся к абсолютному нулю (0 K = −273,15°C). Это задаёт абсолютную точку отсчёта для измерения энтропии.
Абсолютный ноль — самая низкая возможная температура. При ней частицы имели бы минимально возможную энергию. Достичь его в реальности невозможно — можно приблизиться (учёные добирались до миллиардных долей градуса), но не достигнуть.
Энтальпия (ΔH)
Энтальпия (H) — теплосодержание системы при постоянном давлении. Изменение энтальпии (ΔH) показывает, сколько тепла выделяется или поглощается в реакции.
Выделяют тепло. Реакция «греется». Продукты стабильнее реагентов. Примеры: горение, нейтрализация, дыхание.
Поглощают тепло. Реакция «холодит». Реагенты стабильнее продуктов. Примеры: фотосинтез, растворение нитрата аммония.
Свободная энергия Гиббса (ΔG)
Свободная энергия Гиббса (G) объединяет энтальпию и энтропию и предсказывает, пойдёт ли реакция самопроизвольно.
| ΔG | Значение |
|---|---|
| ΔG < 0 | Реакция самопроизвольна (идёт сама) |
| ΔG > 0 | Реакция несамопроизвольна (нужно подводить энергию) |
| ΔG = 0 | Система в равновесии |
Закон Гесса
Закон Гесса: суммарное изменение энтальпии реакции одно и то же, независимо от пути её протекания. Это позволяет рассчитывать ΔH для трудноизмеряемых реакций, комбинируя более простые.
Термодинамика в жизни
- →Холодильники и кондиционеры перекачивают тепло от холодного к горячему по термодинамическим циклам
- →Паровые и автомобильные двигатели превращают тепло в работу (эффективность ограничена вторым началом)
- →Метаболизм в вашем теле подчиняется законам термодинамики
- →Калории в еде — это изменение энтальпии при полном окислении
- →Промышленные процессы оптимизируют по свободной энергии Гиббса
- →Ракетные топлива выбирают по энтальпии сгорания