Внутренняя энергия и энтальпия си, их взаимосвязь. Зависимость внутренней энергии и энтальпии вещества от температуры. Интегрирование соответствующих уравнений.

Внутренней энергией системы называется сумма потенциальной энергии взаимодействия всех частиц тела между собой и кинетической энергией их движения, т.е. внутренняя энергия системы складывается из энергии поступательного и вращательного движения молекул, энергии внутримолекулярного колебательного движения атомов и атомных групп, составляющих молекулы, энергии вращения электронов в атомах, энергии, заключающейся в ядрах атомов, энергии межмолекулярного взаимодействия и других видов энергии.

Абсолютная величина внутренней энергии тела неизвестна, но для изучения химических явления важно знать только изменение внутренней энергии при переходе системы из одного состояния в другое.Во многих процессах передача энергии может осуществляться частично в виде теплоты и частично в виде работы.

Таким образом, теплота и работа характеризуют качественно и количественно две различные формы передачи энергии от одного тела к другому; они измеряются в тех же единицах, что и энергия.

Работу или энергию любого видаможно представить как произведение двух факторов: фактора интенсивности на изменение фактора емкости, называемого также фактором экстенсивности (если фактор интенсивности остается постоянным во время процесса).Так, например, обычная работа (механическая), равна произведению приложенной силы на приращение пути:

Если к системе (веществу или совокупности веществ) подводится теплота Q, то согласно закону сохранения энергии она в общем случае расходуется на возрастание внутренней энергии системы  U и на совершение работы А, т.е.

(1)где  U - изменение внутренней энергии системы при переходе из начального состояния U_НАЧ в конечное U_КОН.

При химических реакциях в основном характеризуется работа против внешнего давления. Она в первом приближении равна произведению давления на изменение объема  V системы:

(2)где  V - изменение объема в процессе.

При изохорном процессе А=0, т.к. изменения объема системы не происходит ( V=0).Следовательно, переходу системы, предположим из состояния 1 в состояние 2 отвечает равенство:

(3)Поэтому, если реакция протекает при V=const, то выделение и поглощение теплоты Q_V связано с изменением внутренней энергии  U.

Для изобарического процесса  V - разность между суммой объемов продуктов реакций и суммой объемов исходных веществ (Р=const).

(4)Для изобарического процесса тепловой эффект Q_P будет равен:

(5) (6)

или (7)

Обозначим, (8) - Энтальпия

Энтальпия равна сумме внутренней энергии и произведения объема на давление.

Энтальпия как и внутренняя энергия является экстенсивной функцикй состояния, зависящей от природы вещества, давления и температуры. В пределах температурной области где фазовое состояние системы не меняется, энтальпия является монотонной функцией основных параметров.

т.е.  H - это тепловой эффект реакции Q_p при p=const.

Энтальпия является функцией состояния, т.е. её изменение определяется заданными начальными и конечными состояниями системы и не зависит от пути перехода.

dim [H]=[кДж] или [кДж/моль]

Таким образом, при изохорическом процессе тепловой эффект реакции:

Тепловым эффектом (теплотой химической реакции) называют количество теплоты (энергии), выделяемое или поглощаемое системой в ходе реакции при условиях постоянного объема или давления, а получаемые продукты имеют ту же температуру, что и исходное вещество.

внутренняя энергия идеального газа не зависит от объема и давления, а является лишь функцией температуры, то на основании уравнения (2.7) после его интегрирования получим для внутренней энергии при любой температуре T:

U_Т = U_о + с_V (Т – Т_o). (5.2)

Энтальпия идеального газа, как и внутренняя энергия, также зависит только от температуры. Так как, по определению, H = U + pV, а для 1 моля газа pV = RT и (с_р – с_V) =R, то

Н = U_о + с_р (Т – Т_o). (5.3)

Изохорный и изобарный потенциалы идеального газа при постоянной температуре определяются интегрированием уравнений (4.28) и (4.34). Для одного моля идеального газа при T = const

dF = – pdV = – dV, (5. 4) откуда после интегрирования получаем

F = F(Т) – RTlnV. (5.5)