Глава 9. Ключевые термины и уравнения

Ключевые термины

калориметрическая бомба (калориметр-бомба) (bomb calorimeter)

прибор для измерения изменения внутренней энергии (\(U\)) процессов, протекающих при постоянном объёме; обычно применяется для реакций с участием твёрдых и газообразных исходных веществ или продуктов.

энергия связи (энергия диссоциации связи) (bond energy, bond dissociation energy)

энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи в газообразном веществе.

цикл Борна–Габера (Born–Haber cycle)

термохимический цикл, связывающий между собой различные энергетические стадии образования ионного твёрдого вещества из соответствующих простых веществ.

калория (кал) (calorie, cal)

единица количества теплоты или энергии иного рода; количество энергии, необходимое для повышения температуры \(1\ \text{г}\) воды на \(1\ \text{°C}\); по определению \(1\ \text{кал} = 4{,}184\ \text{Дж}\).

калориметр (calorimeter)

прибор для измерения количества теплоты, поглощённой или выделившейся в химическом или физическом процессе.

калориметрия (calorimetry)

процесс измерения количества теплоты, выделившегося или поглощённого в химическом или физическом процессе.

химическая термодинамика (chemical thermodynamics)

раздел науки, изучающий взаимосвязи теплоты, работы и всех форм энергии, сопровождающих химические и физические процессы.

эндотермический процесс (endothermic process)

химическая реакция или физическое превращение, при котором теплота поглощается.

энергия (energy)

способность сообщать теплоту или совершать работу.

энтальпия ($H$) (enthalpy)

сумма внутренней энергии системы и произведения её давления на объём.

изменение энтальпии ($\Delta H$) (enthalpy change)

теплота, выделившаяся или поглощённая системой при постоянном давлении в ходе химического или физического процесса.

экзотермический процесс (exothermic process)

химическая реакция или физическое превращение, при котором теплота выделяется.

работа расширения (работа давление—объём) (expansion work, pressure-volume work)

работа, совершаемая системой при расширении или сжатии против внешнего давления.

первое начало термодинамики (first law of thermodynamics)

внутренняя энергия системы изменяется за счёт переноса теплоты в систему или из неё, а также за счёт работы, совершённой над системой или системой.

теплота ($q$) (heat)

перенос тепловой энергии между двумя телами.

теплоёмкость ($C$) (heat capacity)

экстенсивное свойство тела, равное количеству теплоты, необходимому для повышения его температуры на \(1\ \text{°C}\) (или \(1\ \text{К}\)).

закон Гесса (Hess’s law)

если процесс можно представить в виде суммы нескольких стадий, то изменение энтальпии всего процесса равно сумме изменений энтальпии этих стадий.

углеводород (hydrocarbon)

соединение, состоящее только из водорода и углерода; основной компонент ископаемого топлива.

внутренняя энергия ($U$) (internal energy)

суммарная энергия всех возможных видов, содержащаяся в веществе или системе веществ.

джоуль (Дж) (joule, J)

единица энергии СИ; количество энергии, расходуемое при перемещении объекта силой \(1\ \text{Н}\) на расстояние \(1\ \text{м}\); \(1\ \text{Дж} = 1\ \text{кг}\cdot\text{м}^{2}/\text{с}^{2}\), \(4{,}184\ \text{Дж} = 1\ \text{кал}\).

кинетическая энергия (kinetic energy)

энергия, связанная с движением тела; равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости, \(E_\text{к} = \dfrac{1}{2} m v^{2}\) (где \(m\) — масса, \(v\) — скорость).

энергия кристаллической решётки ($\Delta H_\text{реш}$) (lattice energy)

энергия, необходимая для разделения \(1\ \text{моль}\) ионного твёрдого вещества на составляющие его газообразные ионы.

пищевая калория (Калория) (nutritional calorie, Calorie)

единица, используемая для количественной характеристики энергии, доставляемой при усвоении пищи; равна \(1000\ \text{кал}\), или \(1\ \text{ккал}\).

потенциальная энергия (potential energy)

энергия частицы или системы частиц, обусловленная их взаимным расположением, составом или состоянием.

удельная теплоёмкость ($c$) (specific heat capacity)

интенсивное свойство вещества; количество теплоты, необходимое для повышения температуры \(1\ \text{г}\) вещества на \(1\ \text{°C}\) (или \(1\ \text{К}\)).

стандартная энтальпия сгорания ($\Delta H_\text{сг}^\circ$) (standard enthalpy of combustion)

теплота, выделяющаяся при полном сгорании \(1\ \text{моль}\) вещества в стандартных условиях.

стандартная энтальпия образования ($\Delta H_f^\circ$) (standard enthalpy of formation)

изменение энтальпии реакции, в которой \(1\ \text{моль}\) чистого вещества образуется из соответствующих простых веществ, взятых в наиболее устойчивых при стандартных условиях формах.

стандартное состояние (standard state)

совокупность физических условий, принятая как общая исходная база для приведения термодинамических величин: давление \(1\ \text{бар}\), концентрация растворов \(1\ \text{моль/л}\), обычно при температуре \(298{,}15\ \text{К}\).

функция состояния (state function)

свойство, зависящее только от состояния системы, но не от пути, которым это состояние достигнуто.

окружающая среда (surroundings)

всё вещество вне изучаемой системы.

система (system)

часть вещества, претерпевающая изучаемое химическое или физическое превращение.

температура (temperature)

интенсивное свойство вещества, являющееся количественной мерой степени «нагретости» или «холодности».

тепловая энергия (thermal energy)

кинетическая энергия, связанная с хаотическим движением атомов и молекул.

термохимия (thermochemistry)

раздел химии, изучающий измерение количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в ходе химической реакции или физического превращения.

работа ($w$) (work)

передача энергии, связанная с изменением внешних макроскопических переменных, таких как давление и объём; либо с движением вещества против противодействующей силы.

Ключевые уравнения

Кинетическая энергия:

\[ E_\text{к} = \dfrac{1}{2} m v^{2} \]

Теплота, переданная веществу, и изменение его температуры:

\[ q = m c\, \Delta T \]

Первое начало термодинамики:

\[ \Delta U = q + w \]

Работа расширения газа против постоянного внешнего давления:

\[ w = -P_\text{внеш}\, \Delta V \]

Связь энтальпии с внутренней энергией:

\[ H = U + PV \]

Изменение энтальпии при постоянном давлении:

\[ \Delta H = q_p \]

Закон Гесса (если процесс — сумма стадий \(i\)):

\[ \Delta H_\text{реакц} = \sum_{i} \Delta H_{i} \]

Стандартное изменение энтальпии реакции по стандартным энтальпиям образования:

\[ \Delta H_\text{реакц}^\circ = \sum n\, \Delta H_f^\circ(\text{прод}) - \sum n\, \Delta H_f^\circ(\text{исх}) \]

Оценка изменения энтальпии реакции по энергиям связей:

\[ \Delta H = \sum D_\text{разрыв} - \sum D_\text{образ} \]

Энергия кристаллической решётки ионного кристалла \(\ce{MX}\) (закон Кулона, упрощённая форма):

\[ \Delta H_\text{реш} \propto \dfrac{C\,(Z^{+})(Z^{-})}{R_{0}} \]

где \(Z^{+}\) и \(Z^{-}\) — заряды ионов, \(R_{0}\) — межъядерное расстояние, \(C\) — константа, зависящая от структуры кристалла.