Учебное пособие. — Казань: КНИТУ, 2012. — 392 с.
Рассмотрены основы химической термодинамики и фазовые равновесия.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки
«Химическая технология».
Содержание:
Основы химической термодинамики
Основные понятия термодинамики
Термодинамическая система. Компонент системы. Фаза
Термодинамические переменные (термодинамический параметр, термодинамическая функция)
Термодинамические процессы
Идеальные и реальные газы. Параметры газов. Уравнение состояния
Параметры газа
Объем (v)
Давление (р)
Температура (т)
Уравнение состояния идеального газа
Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса
Первый закон термодинамики
Энергия. Внутренняя энергия
Передача энергии: теплота и работа
Вычисление работы расширения идеального газа
Изучение тепловых явлений. Вычисление количества теплоты. Теплоемкость
Первый закон термодинамики
Применение первого закона термодинамики к некоторым системам. Энтальпия
Термохимия. Закон Гесса
Применение законагесса – методы расчета тепловых эффектов
Прием алгебраического сложения термохимических уравнений
Прием термохимических схем
Вычисление тепловых эффектов по справочным данным
Вычисление тепловых эффектов по теплотам образования
Вычисление тепловых эффектов по теплотам сгорания
Расчет теплового эффекта по энергиям связей
Зависимость теплового эффекта от температуры. Закон Кирхгофа
Вычисление теплового эффекта реакций при различных температурах. Применение закона Кирхгофа
Пример
Второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики. Формулировки
Тепловые машины. КПД. Цикл Карно
КПД цикла Карно
Разбиение произвольного обратимого цикла на циклы Карно. Энтропия
Объединенное уравнение 1 и 2 законов термодинамики
Свойства энтропии
Вычисление энтропии
Пример
Характеристические термодинамические функции
Функция Гельмгольца
Пример
Функция Гиббса
Связь между Δg и Δа
Характеристические тд функции
Как определить возможность и направление протекания самопроизвольного процесса в данной системе?
Как определить предел протекания этого процесса и охарактеризовать состояние равновесия?
Как через производные характеристических функций получить другие термодинамические параметры, характеризующие данную систему и процесс?
Свойства функций Гиббса и Гельмгольца . 90 влияние температуры. Уравнения Гиббса – Гельмгольца (уравнения максимальной и максимальной полезной работы)
Влияние давления
Приведенная функция Гиббса
Химический потенциал
Растворы, идеальные и реальные
Парциальные молярные величины
Химический потенциал
Уравнения Гиббса-Дюгема
Методы определения парциальных молярных величин
Аналитический метод
Графические методы
Фугитивность
Определение фугитивности
При помощи объемной поправки реального газа
Приближенный метод
Активность
Химическое равновесие
Характеристики химического равновесия
Закон действия масс и константа равновесия
Способы выражения констант равновесия
Константа равновесия гетерогенной реакции
Смещение равновесия. Принцип Ле-Шателье. Факторы, влияющие на константы равновесия
Использование закона действия масс для расчета состава равновесной смеси и констант равновесия
Уравнение изотермы химический реакции
Зависимость равновесия от температуры. Уравнения изобары и изохоры химической реакции
Зависимость равновесия от давления. Уравнение Планка
Расчет химического равновесия
а) прямой расчет
б) косвенный расчет
Пути расчета константы равновесия
Третий закон термодинамики
Формулировки и история
Следствия из третьего закона
Следствие первое
Следствие третье
Следствие четвертое
Введение в термодинамику полимеризационных процессов
Введение в статистическую термодинамику
Статистический метод в термодинамике
Основные понятия теории вероятностей
Основные понятия статистической термодинамики
Статистика Максвелла — Больцмана
Связь энтропии и термодинамической вероятности
Распределение Максвелла-Больцмана. Сумма по состояниям
Свойства сумм по состояниям
Выражение термодинамических величин через сумму по состояниям
Пример вычисления суммы по состояниям для поступательного движения
Введение в термодинамику неравновесных процессов
Потоки и силы
Производство энтропии
Стационарное неравновесие
Линейная и нелинейная неравновесные термодинамики
Устойчивость стационарных состояний
Самоорганизация
Фазовые равновесия
Основные понятия
Гетерогенное равновесие. Критерии равновесия в гетерогенной системе
Правило фаз Гиббса
Физико-химический анализ. Фазовые диаграммы. Некоторые методы фазового анализа
Фазовое равновесие в однокомпонентных системах
Фазовые переходы первого рода. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Полиморфизм
Вывод уравнения Клапейрона-Клаузиуса
Полиморфизм
Фазовые переходы первого рода на атомном уровне
Фазовые переходы второго рода. Уравнения Эренфеста
Относительность классификации Эренфеста
Фазовая диаграмма воды
Фазовая диаграмма серы
Термотропные жидкие кристаллы
Классификация жидких кристаллов
Полиморфизм жидких кристаллов
Параметр порядка
Особенности методов исследования фазовых переходов в термотропных жидких кристаллах
Особенности фазовых переходов в наносистемах
Особенности фазовых переходов в полимерах
Структура полимеров
Кристаллическое состояние полимеров
Жидкокристаллическое состояние полимеров
Жидкое фазовое состояние полимеров
Фазовые равновесия в двухкомпонентных системах
Условия равновесия и графическое представление двухкомпонентных систем
Растворимость
О русской школе теории растворенного состояния
Растворимость газов в газах
Растворимость газов в жидкостях
Растворимость газов в твердых телах
Взаимная растворимость жидкостей
Растворимость твердых веществ в жидкостях
Взаимная растворимость твердых веществ
Равновесие жидкость – пар в двухкомпонентных системах
Давление насыщенного пара над жидкостью в идеальных двухкомпонентных системах
I система, компоненты которой растворимы друг в друге при любых соотношениях. Закон Рауля
II система, компоненты которой абсолютно нерастворимы друг в друге
Несовпадение составов жидкости и пара в идеальных двухкомпонентных системах
I система, компоненты которой растворимы друг в друге при любых соотношениях. Первый закон Коновалова. Линия жидкости и линия пара
II система, компоненты которой взаимно нерастворимы. Гетероазеотроп
Давление насыщенного пара над жидкостью в реальных двухкомпонентных системах
I система, компоненты которой растворимы друг в друге при любых соотношениях (реальная двойная двухфазная система). Отклонения от закона Рауля. Активность. Второй закон Коновалова. Азеотропные точки
Тангенциальный азеотроп
Особенности экспериментального исследования равновесия между жидкостью и паром
Термодинамический вывод законов Коновалова
II система, компоненты которой нерастворимы друг в друге (реальная двойная трехфазная система). Ограниченная растворимость
Взаимосвязь диаграмм давление-состав и температура – состав
Вид фазовых диаграмм при изменении температуры (давления). Законы Вревского
Связь зависимостей температура – состав и функция Гиббса – состав
Правило рычага
Разделение жидких смесей. Перегонка
График зависимости состава насыщенного пара от состава равновесной с ним жидкости
Задача
Равновесие кристаллы-расплав в двухкомпонентной системе
Кристаллизация в системах, компоненты которых в твердой фазе полностью растворимы
Компоненты не образуют твердых соединений
Компоненты образуют твердые соединения
Кристаллизация в системах, компоненты которых полностью растворимы в твердой фазе, но обладают частичной растворимостью – в жидкой
Кристаллизация в системах, компоненты которых в твердой фазе ограниченно растворимы
Системы, температуры плавления компонентов которых близки (системы с эвтектикой)
Температуры плавления компонентов значительно различаются (системы с перитектикой)
Кристаллизация в системах, компоненты которых в твердой фазе нерастворимы
Компоненты не образуют стехиометрических соединений и полностью растворимы в жидкой фазе
Эвтектическая остановка. Треугольник Таммана
Уравнение кривой ликвидуса (уравнение Шредера — Ле Шателье)
Вывод уравнения Шредера — Ле Шателье
Компоненты образуют стехиометрические соединения
Влияние давления на характер фазовых диаграмм кристаллы-расплав
Компоненты в жидкой фазе ограниченно растворимы
Двухкомпонентные системы с образованием термотропных жидких кристаллов
Равновесия в разбавленных растворах нелетучих веществ. Коллигативные свойства растворов
Понижение давления пара над раствором
Повышение температуры кипения раствора
Понижение температуры начала кристаллизации раствора
Осмос
Лиотропные жидкие кристаллы
Трехкомпонентные системы
Графическое представление трехкомпонентных систем
Диаграмма жидкость-пар тройной системы без азеотропных точек
Диаграмма кристаллы-расплав трекомпонентной системы с тройной эвтектикой
Кривые расслоения в трехкомпонентных жидких системах
Основы химической термодинамики
Основные понятия термодинамики
Термодинамическая система. Компонент системы. Фаза
Термодинамические переменные (термодинамический параметр, термодинамическая функция)
Термодинамические процессы
Идеальные и реальные газы. Параметры газов. Уравнение состояния
Параметры газа
Объем (v)
Давление (р)
Температура (т)
Уравнение состояния идеального газа
Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса
Первый закон термодинамики
Энергия. Внутренняя энергия
Передача энергии: теплота и работа
Вычисление работы расширения идеального газа
Изучение тепловых явлений. Вычисление количества теплоты. Теплоемкость
Первый закон термодинамики
Применение первого закона термодинамики к некоторым системам. Энтальпия
Термохимия. Закон Гесса
Применение законагесса – методы расчета тепловых эффектов
Прием алгебраического сложения термохимических уравнений
Прием термохимических схем
Вычисление тепловых эффектов по справочным данным
Вычисление тепловых эффектов по теплотам образования
Вычисление тепловых эффектов по теплотам сгорания
Расчет теплового эффекта по энергиям связей
Зависимость теплового эффекта от температуры. Закон Кирхгофа
Вычисление теплового эффекта реакций при различных температурах. Применение закона Кирхгофа
Пример
Второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики. Формулировки
Тепловые машины. КПД. Цикл Карно
КПД цикла Карно
Разбиение произвольного обратимого цикла на циклы Карно. Энтропия
Объединенное уравнение 1 и 2 законов термодинамики
Свойства энтропии
Вычисление энтропии
Пример
Характеристические термодинамические функции
Функция Гельмгольца
Пример
Функция Гиббса
Связь между Δg и Δа
Характеристические тд функции
Как определить возможность и направление протекания самопроизвольного процесса в данной системе?
Как определить предел протекания этого процесса и охарактеризовать состояние равновесия?
Как через производные характеристических функций получить другие термодинамические параметры, характеризующие данную систему и процесс?
Свойства функций Гиббса и Гельмгольца . 90 влияние температуры. Уравнения Гиббса – Гельмгольца (уравнения максимальной и максимальной полезной работы)
Влияние давления
Приведенная функция Гиббса
Химический потенциал
Растворы, идеальные и реальные
Парциальные молярные величины
Химический потенциал
Уравнения Гиббса-Дюгема
Методы определения парциальных молярных величин
Аналитический метод
Графические методы
Фугитивность
Определение фугитивности
При помощи объемной поправки реального газа
Приближенный метод
Активность
Химическое равновесие
Характеристики химического равновесия
Закон действия масс и константа равновесия
Способы выражения констант равновесия
Константа равновесия гетерогенной реакции
Смещение равновесия. Принцип Ле-Шателье. Факторы, влияющие на константы равновесия
Использование закона действия масс для расчета состава равновесной смеси и констант равновесия
Уравнение изотермы химический реакции
Зависимость равновесия от температуры. Уравнения изобары и изохоры химической реакции
Зависимость равновесия от давления. Уравнение Планка
Расчет химического равновесия
а) прямой расчет
б) косвенный расчет
Пути расчета константы равновесия
Третий закон термодинамики
Формулировки и история
Следствия из третьего закона
Следствие первое
Следствие третье
Следствие четвертое
Введение в термодинамику полимеризационных процессов
Введение в статистическую термодинамику
Статистический метод в термодинамике
Основные понятия теории вероятностей
Основные понятия статистической термодинамики
Статистика Максвелла — Больцмана
Связь энтропии и термодинамической вероятности
Распределение Максвелла-Больцмана. Сумма по состояниям
Свойства сумм по состояниям
Выражение термодинамических величин через сумму по состояниям
Пример вычисления суммы по состояниям для поступательного движения
Введение в термодинамику неравновесных процессов
Потоки и силы
Производство энтропии
Стационарное неравновесие
Линейная и нелинейная неравновесные термодинамики
Устойчивость стационарных состояний
Самоорганизация
Фазовые равновесия
Основные понятия
Гетерогенное равновесие. Критерии равновесия в гетерогенной системе
Правило фаз Гиббса
Физико-химический анализ. Фазовые диаграммы. Некоторые методы фазового анализа
Фазовое равновесие в однокомпонентных системах
Фазовые переходы первого рода. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Полиморфизм
Вывод уравнения Клапейрона-Клаузиуса
Полиморфизм
Фазовые переходы первого рода на атомном уровне
Фазовые переходы второго рода. Уравнения Эренфеста
Относительность классификации Эренфеста
Фазовая диаграмма воды
Фазовая диаграмма серы
Термотропные жидкие кристаллы
Классификация жидких кристаллов
Полиморфизм жидких кристаллов
Параметр порядка
Особенности методов исследования фазовых переходов в термотропных жидких кристаллах
Особенности фазовых переходов в наносистемах
Особенности фазовых переходов в полимерах
Структура полимеров
Кристаллическое состояние полимеров
Жидкокристаллическое состояние полимеров
Жидкое фазовое состояние полимеров
Фазовые равновесия в двухкомпонентных системах
Условия равновесия и графическое представление двухкомпонентных систем
Растворимость
О русской школе теории растворенного состояния
Растворимость газов в газах
Растворимость газов в жидкостях
Растворимость газов в твердых телах
Взаимная растворимость жидкостей
Растворимость твердых веществ в жидкостях
Взаимная растворимость твердых веществ
Равновесие жидкость – пар в двухкомпонентных системах
Давление насыщенного пара над жидкостью в идеальных двухкомпонентных системах
I система, компоненты которой растворимы друг в друге при любых соотношениях. Закон Рауля
II система, компоненты которой абсолютно нерастворимы друг в друге
Несовпадение составов жидкости и пара в идеальных двухкомпонентных системах
I система, компоненты которой растворимы друг в друге при любых соотношениях. Первый закон Коновалова. Линия жидкости и линия пара
II система, компоненты которой взаимно нерастворимы. Гетероазеотроп
Давление насыщенного пара над жидкостью в реальных двухкомпонентных системах
I система, компоненты которой растворимы друг в друге при любых соотношениях (реальная двойная двухфазная система). Отклонения от закона Рауля. Активность. Второй закон Коновалова. Азеотропные точки
Тангенциальный азеотроп
Особенности экспериментального исследования равновесия между жидкостью и паром
Термодинамический вывод законов Коновалова
II система, компоненты которой нерастворимы друг в друге (реальная двойная трехфазная система). Ограниченная растворимость
Взаимосвязь диаграмм давление-состав и температура – состав
Вид фазовых диаграмм при изменении температуры (давления). Законы Вревского
Связь зависимостей температура – состав и функция Гиббса – состав
Правило рычага
Разделение жидких смесей. Перегонка
График зависимости состава насыщенного пара от состава равновесной с ним жидкости
Задача
Равновесие кристаллы-расплав в двухкомпонентной системе
Кристаллизация в системах, компоненты которых в твердой фазе полностью растворимы
Компоненты не образуют твердых соединений
Компоненты образуют твердые соединения
Кристаллизация в системах, компоненты которых полностью растворимы в твердой фазе, но обладают частичной растворимостью – в жидкой
Кристаллизация в системах, компоненты которых в твердой фазе ограниченно растворимы
Системы, температуры плавления компонентов которых близки (системы с эвтектикой)
Температуры плавления компонентов значительно различаются (системы с перитектикой)
Кристаллизация в системах, компоненты которых в твердой фазе нерастворимы
Компоненты не образуют стехиометрических соединений и полностью растворимы в жидкой фазе
Эвтектическая остановка. Треугольник Таммана
Уравнение кривой ликвидуса (уравнение Шредера — Ле Шателье)
Вывод уравнения Шредера — Ле Шателье
Компоненты образуют стехиометрические соединения
Влияние давления на характер фазовых диаграмм кристаллы-расплав
Компоненты в жидкой фазе ограниченно растворимы
Двухкомпонентные системы с образованием термотропных жидких кристаллов
Равновесия в разбавленных растворах нелетучих веществ. Коллигативные свойства растворов
Понижение давления пара над раствором
Повышение температуры кипения раствора
Понижение температуры начала кристаллизации раствора
Осмос
Лиотропные жидкие кристаллы
Трехкомпонентные системы
Графическое представление трехкомпонентных систем
Диаграмма жидкость-пар тройной системы без азеотропных точек
Диаграмма кристаллы-расплав трекомпонентной системы с тройной эвтектикой
Кривые расслоения в трехкомпонентных жидких системах