Второй закон термодинамики. Направление химических процессов

Первый закон позволяет количественно оценить энергетические характеристики химических процессов, но он не может ответить на вопрос: возможен или не возможен тот или иной процесс, и в каком направлении он будет протекать? На этот вопрос отвечает

второй закон термодинамики, который утверждает, что все природные и технологические процессы самопроизвольно могут протекать только в одном направлении, стремясь к состоянию равновесия.

Пр.: а) теплота передается от горячего к холодному; б) растворенные вещества равномерно распределяются по всему объему раствора.

Известно две формулировки второго закона термодинамики:

1. Теплота не может сама собой передаваться от холодного тела к горячему, не оставляя изменения в окружающей среде.

2. Различные виды энергии стремятся перейти в теплоту, а теплота в свою очередь стремиться рассеивается, т.е. теплоту невозможно полностью превратить в полезную работу.

Известно, что работа обусловлена направленным движением частиц, а теплота - хаотичным движением частиц.

Хаотичность, беспорядок в системе характеризует энтропия. Ростом энтропии (DS>0) сопровождаются самопроизвольно идущие процессы: испарение, диффузия. Возрастание энтропии происходит до наступления равновесия, при этом DS=0.

Применительно к энтропии следствие закона Гесса: изменение энтропии химической реакции равно алгебраической сумме энтропии продуктов, за вычетом алгебраической суммы энтропии реагентов, взятых учетом стехиометрического количества реагентов и продуктов.

DS⁰_р-ции=åDS⁰_прод.- åDS⁰_реаг.

В изолированных системах для самопроизвольных процессов DS>0, при этом протекает прямая реакция. Для не самопроизвольных процессов DS<0, протекает обратная реакция, а в состояние равновесия DS=0.

Таким образом, второй закон термодинамики позволяет судить о вероятности протекания того или иного процесса, но для этого необходимо уметь определять DS системы и DS среды. На практике это сложно, т.к. необходимо учитывать все изменения происходящие в окружающей среде. Поэтому учеными были предложены другие термодинамические функции состояния системы, которые могут служить критериями возможности самопроизвольного протекания процессов, они, в отличие от энтропии, легко определяются.

Для процессов, протекающих в изобарно-изотермических условиях, т.е. при P и T =const, таким критерием является величена DG - изменение энергии Гиббса, которое называется изобарно-изотермическим потенциалом (см. лекцию №1).

Применительно к энергии Гиббса закон Гесса формулируется: приращение энергии Гиббса при образовании заданных продуктов из данных реагентов, при постоянных температуре и давлении, не зависит от числа и вида реакций, в результате которых образуются эти продукты.

Применительно к энергии Гиббса следствие из закона Гесса формулируется: изменение энергии Гиббса химической реакции равно алгебраической сумме энергий Гибса образования продуктов, за вычетом алгебраической суммы энергий Гиббса образования реагентов, взятых с учетом стехиометрического количества реагентов и продуктов.

DG⁰_р-ции=åDG⁰_{обр. продуктов}-åDG⁰_{обр. реагентов}

На основе энергии Гиббса дают

третью формулировку второго начала термодинамики: в изобарно-изотермических условиях самопроизвольно протекают только такие процессы, которые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса (G<0). В состоянии равновесия энергия Гиббса не меняется, т.е. G=const, DG=0

17