Курс лекций по физической химии Учебно-методическое пособие (стр. 6 из 16)

Внутренняя энергия – это сумма энергии частиц, составляющих термодинамическую систему. В идеальном газе отсутствует энергия взаимодействия молекул, поэтому внутренняя энергия определяется как сумма энергии химических связей в молекулах (e_{электронная}) и кинетической составляющей движения молекул. Молекулы совершают различные виды движения, и приближенно общую энергию молекул можно представить в виде суммы энергии этих видов движения

e = e_{электр.} + e_кол. + e_вращ. + e_пост. = e_е + e_v + e_r + e_t. (4.2)

Известно, что энергия микрочастиц квантована, т.е. может принимать только дискретные значения. Расстояние между этими уровнями различно для разных типов движения : De_е>>De_v>>De_r > De_t (Рис. 4.1).

Поступательная энергия молекул практически не квантуется, т.е. может изменяться непрерывно. Когда системе сообщается тепло, то энергия передается через хаотические соударения молекул. При столкновениях молекулы обмениваются квантами энергии, величина которых зависит от температуры – «тепловыми квантами»– kT, где k – постоянная Больцмана

k = R/N = 1,38*10^-23Дж/К. (4.3)

e

De_е

kT

De_ν De_r

Рис. 4.1. Квантование уровней различных видов движения

При обычной температуре величина теплового кванта достаточна, чтобы изменить энергию поступательного и вращательного движения, а также наиболее слабых колебаний, но возбуждения сильных колебений, и тем более электронов не происходит

De_v>> kT > De_r (4.4)

Эта диаграмма позволяет примерно оценить теплоемкость простейших ве-ществ.

4.8.1.3. Одноатомный газ (He, Ar)

Молекулы одноатомного газа как точечные массы совершают только поступательное движение и имеют три степени свободы. По принципу равномерного распределения энергии по степеням свободы можно определить энергию молекул. На одну степень свободы приходится в среднем e = 1/2kT, а для 1-го моля Е = 1/2RT. Cледовательно, на 3 степени свободы одноатомной молекулы приходится

U = 3/2 RT. (4.5)

С_v =

= 3/2 R ~ 3 кал/моль*K = 12,5 Дж/мольК,

C_p = C_V + R = 5 кал/мольК

Теплоемкость одноатомных газов практически не зависит от температуры.

Таблица 4.1.Теплоемкости С_v веществ при разной температуре (кал/мольК)

Вещество	nt	nr	nv	150 K	300 К	400 К
Ar	3	3	3	2,92	2,98	2,98
O2	3	2	1	4,98	5,03	6,22
H2O	3	3	3	6,04	7,57

4.8.1.4. Двухатомный газ – линейная молекула

Каждая молекула имеет 3N степеней свободы, где N –число атомов в молекуле. Для двухатомной молекулы общее число степеней свободы равно 6, из них 3 поступательных, 2 вращательных и 1 колебательная. Вращательных степеней свободы у линейных молекул только 2, так как при вращении вокруг линии связи, молекула не изменяет своего положения и это движение не может изменяться за счет передачи энергии от другой молекулы. При комнатной температуре возбуждаются только поступательное и вращательное движение – 5 степеней свободы

U = 5/2 RT.

С_v =

= 5/2 R ~ 5 кал/мольK = 20,8 дЖ/мольК,

C_p = C_V + R = 7 кал/мольК,

При повышении температуры начинает постепенно возбуждаться колеба-тельное движение, С_v → 6 кал/(моль К).

4.8.1.5. Многоатомные молекулы. Общее число степеней свободы равно 3N, из них 3 поступательных, 3 ( или 2 для линейных молекул) враща-тельных и 3N - 6 (5) колебательных. Колебания тоже могут быть разными: валентные (жесткие) колебания, в которых происходит изменение длины связи, требуют большой энергии для возбуждения, и деформационные, в которых изменяются углы между связями. Последние более мягкие и требуют меньших квантов для возбуждения, и, следовательно, могут возбуждаться при более низкой температуре. В общем можно сделать такой вывод: чем сложнее молекула, тем сильнее зависимость ее теплоемкости от температуры. Нельзя получить общей теоретической формулы, выражающей эту зависимость.

4.8.2. Теплоемкость твердых тел

В твердом теле единственным видом движения является колебания элементов кристаллической решетки, ячейки которой повторяются в пространстве. Твердое тело (например, металл) можно представить как набор гармонических осцилляторов, колеблющихся с одинаковой частотой n. Исследуя такую модель, Эйнштейн вывел теоретическую формулу для расчета теплоемкости твердого тела на основании статистической термодинамики

С_v = 3R (q/T)²e ^q/T , где (4.6)

(e ^q/T –1)²

где q = hn/k называется характеристической температурой.

При низкой температуре q/T → µ, a теплоемкость → 0

При высокой температуре q/T → 0, a теплоемкость → 3R

Закон Дюлонга и Пти для простых веществ:

С_v = с_уд.М = 6,3 кал/моль.К, где М - атомная масса элемента (4.7)

При очень низких температурах вблизи абс. нуля справедлив закон Дебая:

С_v = а Т³ (4.8)

4.8.3. Представление температурной зависимости теплоемкости в виде температурного ряда. Так как теоретических общих уравнений для зависимости теплоемкости от температуры нельзя вывести, то используются экспериментальные зависимости в виде степенного ряда

для органических веществ С_р = а + bТ + сТ² + dT³; (4.9)

для неорганических веществ С_р = а + bТ + с' Т^-2. (4.10)

4.8.4. Уравнение Кирхгоффа – зависимость теплоты реакции от температуры

Используя уравнения связи теплот химических реакций с изменением термодинамических функций легко вывести зависимость их от температуры

Q_V = D_rU =

, (2.14, 2.15)

Q_p = D_rH =

. (2.16)

= = = = D_rС_v, (4.11)

= = = = D_rС_p. (4.12)

D_rС_p. = Dа + DbT + DcT² + Dd T³ + Dc'T^-2. (4.13)

4.8.5. Анализ уравнения Кирхгоффа

4.8.5.1. D_rС_р = 0 D_rН_T1= D_rН_T2 . Теплота реакции не зависит от температуры.

4.8.5.2. DС_р>0, T D_rН Для эндотермической реакции D_rН₂ > D_rН₁.