-Эндо и -экзо термические реакции

[Toolt]

Теперь об эндотермических реакциях. В том числе о самой загадочной - растворении соли в воде с поглощением тепла. Здесь, по моему, ключевая фраза: "Теплота поглощается из теплоты вещества, в том месте, в котором поглощается" (Munin). Откуда берется теплота для начала эндотермической реакции растворения? Первоначально - из теплоты самих взаимодействующих веществ. Мы растворяем соль при комнатной температуре (или около нуля это неважно), но это тоже температура, и при этой температуре молекулы и атомы обладают определенным запасом энергии. Если вещества взаимодействуют друг с другом при такой температуре, значит, этой энергии достаточно для преодоления энергетического барьера. (Вот если вещества охладить до температуры у абсолютного нуля, эндотермическая реакция уж точно будет вряд ли возможна ). Раствор (допустим это будет нитрат натрия), охладился до минус 5 градусов и продолжает охлаждаться? Ну, значит и раствор с температурой минус 5 градусов все еще содержит достаточное количество теплоты для продолжения эндотермической реакции. Ну, и так далее, до достижения температуры, когда энергии атомов и молекул будет недостаточно для продолжения реакции. Как-то так.

[realeugene]

Уравнение Аррениуса для скорости (простой одностадийной) химической реакции: $k=A e^{-E_a/RT}$. Всё тривиально: чтобы реакция на уровне отдельных молекул произошла, реагенты должны сблизиться, преодолев энергетический барьер. Чем ниже этот барьер или чем выше температура - тем выше вероятность его преодоления исходными молекулами, и тем быстрее идёт реакция.

"Исходная теплота" при этом никому не нужна, если реакция может протекать в данном направлении. Нужна достаточная температура, чтобы было достаточно много быстрых молекул, способных преодолеть энергетический барьер.

[Vladimirkey]

Munin в сообщении #1389585 писал(а):

Требуется меньше энергии, чем что?

Новые химические связи в продуктах реакции требуют меньше энергии, чем имеют исходные вещества (реагенты), излишек энергии в химических связях высвобождается в виде тепловой энергии.

Munin в сообщении #1389585 писал(а):

Здесь много оборотов указывает на то, будто вы воображаете, что реакция - это какое-то отдельное место, с отдельной температурой, и каким-то теплообменом. А среда - почему-то вокруг. Так, что ли?

Да, я воображаю это так, потому что мне постоянно хочется сюда приплести два объекта, один из которых имеет температуру меньше (больше), чем другой, чтобы шел теплообмен (разницу температур), поэтому воображаю, что есть некая среда вокруг колбы с большей/меньшей температурой, как бы внутри колбы одна температура, вне - другая, поэтому существует среда и колба (два объекта с разными температурой) даже до того, пока реакция не началась. Это конечно не правильно делать, я осознал, нужно обратить внимание просто не на температуры и какие-то мои вымышленные разницы температур, они тут не при чем и не играют роль в таких реакциях, а на энергию реагентов и продуктов в реакции, вне зависимости от температуры чего-либо.

Munin в сообщении #1389585 писал(а):

Вы понимаете, что у любого вещества и так есть энергия? Тепловая энергия.

Просто я тут растерялся во всех этих понятиях: тепловая энергия, количество теплоты, внутренняя энергия, температура и тому подобное.
Как я понимаю:
тепловая энергия это тоже самое, что часть внутренней энергии, то есть кинетическая энергия движения молекул.
количество теплоты - какая тепловая энергия передалась телу вследствие теплообмена, которая повлекла за собой увеличение кинетической энергии движения молекул (внутренней энергии).
температура - степень нагретости, а нагретость тела - как раз отражение кинетической энергии движения молекул (чем выше, тем больше температура)

Вот как раз тепловую энергию я себе представляю как кинетическую энергию движения молекул, молекулы двигаются, значит, обладают кинетической энергией.

Munin в сообщении #1389585 писал(а):

Теплота поглощается из теплоты вещества, в том месте, в котором поглощается

То есть это понимать нужно как: реагенты вступают в реакцию, охлаждают сами себя, а мои "приплеты" со средой, от которой можно таким образом отобрать тепло, так как реакция сама себя охладила (ну а потом уже может охладить что-то другое), это уже лишнее и никак не относится к самому понятию "поглощение" тепла в эндотермической реакции.

Munin в сообщении #1389585 писал(а):

И здесь аналогичная ерунда.

Не совсем понимаю, почему здесь ерунда?
Какие тогда условия нужно создать, чтобы сконденсировать вещество (кроме того, что температуру конденсации и давления соответствующего), при этом это вещество "Выделило" тепло?
На сколько мне известно, в холодильником цикле (не идеальном), даже если взять бытовой холодильник, то в конденсаторе для конденсации рабочего вещества нужна разница температур между обдувающим воздухом и рабочим веществом (который имеет давление и температуру конденсации), иначе, теплообмена не будет и вещество рабочее не будет конденсироваться, но Вы говорите, что это не верно, не нужна разница температур. Именно так я понимал принцип работы конденсатора и фразу "Конденсация происходит с выделением тепла", то есть имелось ввиду, что некое количество теплоты нужно сбросить "насильно" за счет теплообмена с окружающей средой.

realeugene в сообщении #1389593 писал(а):

Ай-я-яй... Теплота - это не термодинамическая функция. У вещества нет "тепловой энергии". Собственно, поэтому и было принято в школе писать $\delta Q$, а не $dQ$.

Что значит нет тепловой энергии? а как же кинетическая энергия молекул, это нельзя назвать тепловой энергией?
$\delta Q$, а не $dQ$ в школьном учебнике такого объяснения, почему так нужно писать - не находил.

realeugene в сообщении #1389606 писал(а):

Тепловой функцией ещё называют энтальпию. Вот она - термодинамическая функция. Но вот только первое начало термодинамики формулируется для энергии, а не для энтальпии.

Про энтальпию читал, единственное знаю, что по ее изменению можно судить - пришло тепло или ушло. Здесь мне конечно не понятно, зачем ввели энтальпию как термодинамическую функцию, если есть уже понятие количества тепла, которое отражает тот факт, что тепло пришло или ушло из системы. А вообще, это еще больше конечно путает меня, очень много терминов, связанных с теплотой и такое чувство, что они все об одном и том же, только разными словами (энтальпия, тепловая энергия, кинетическая энергия молекул), почему-то в голове это одно, наверное, потому что я не детально понимаю всю картину и систематизация моих знаний скачет и постоянно перестраивается после каждого непонятного мне сообщения: терминов в них.

Toolt в сообщении #1389655 писал(а):

Первоначально - из теплоты самих взаимодействующих веществ. Мы растворяем соль при комнатной температуре (или около нуля это неважно), но это тоже температура, и при этой температуре молекулы и атомы обладают определенным запасом энергии

Если на пальцах, то для экзотермической реакции мне понятно, что есть реагенты, которые обладают энергией изначально, они прореагировали и образовались новые элементы, так как изначально было больше энергии, а появились продукты, которым нужно меньше энергии, значит, остался некий кусочек энергии, он и выделился в виде тепла и нагрел эти продукты реакции.
А вот например для эндотермической реакции мне не особо понятно, есть реагенты, которые обладают энергией изначально, они прореагировали и выходит, что у продуктов реакции энергии стало больше (так как идет поглощение энергии), хотя у реагентов было меньше, возникает вопрос, откуда взят "поглощенный" кусок энергии?

[realeugene]

Vladimirkey в сообщении #1389685 писал(а):

Что значит нет тепловой энергии? а как же кинетическая энергия молекул, это нельзя назвать тепловой энергией? $\delta Q$, а не $dQ$ в школьном учебнике такого объяснения, почему так нужно писать - не находил

Нет, нельзя назвать. Во-первых, потому что нельзя, во-вторых, потому что только в идеальных газах без взаимодействия между молекулами вся "хаотичная энергия", так сказать, кинетическая, а при постоянном взаимодействии между молекулами увеличение кинетичекой энергии, также, приводит к увеличению средней потенциальной энергии их взаимодействия. Вы проигнорировали вопрос про грузик на пружинке, а зря.

Писать правильнее $\delta Q$, а не $dQ$, чтобы не забывать о том, что Q - это не термодинамическая функция, и $dQ$ - это не полный дифференциал. В термодинамике пронятие о термодинамических функциях имеет ключевое значение. Термодинамические функции - это характеризующие систему физические величины, функционально зависящие от макроскопического состояния системы. Да-да, предполагается, что у системы, несмотря на весь царящий на микроуровне хаос, есть некоторое определённое макроскопическое состояние, которе мы исследуем и которое мы пытаемся описывать и сравнивать с другими её возможными макросостояниями. Функционально зависящие - это значит, что в одном и том же макроскопическом состоянии у системы все связанные с этой системой термодинамические величины имеют определённое значение, а если какая-то термодинамическая величина имеет разные значения, значит, и эти макроскопические состояния системы различны. Более того, если мы знаем, что наша система однородная и её химический состав постоянный, то её макросостояние полностью определяется двумя произвольно выбранными термодинамическими функциями. Например, в качестве таких координат можно взять пару из температуры и давления, или из энтальпии и энтропии. Преобразования между всеми такими координатами однозначны, так как состояние нашей однородной с постоянным химическим составом системы однозначно зависит от пары термодинамических функций, а каждая термодинамическая функция однозначно зависит от макросостояния системы. Если система не однородная или в ней протекают химические реакции, то таких координат, полностью характеризующих макросостояние системы, может потребоваться больше: например, потребуется учитывать ещё и количество вещества в каждой фазе или количество каждого химического соединения в данный момент в реакторе.

Так вот, когда написано $dE$, или $dp$, или $dS$, это означает именно то, как это выглядит: это дифференциалы соответствующих термодинамических функций. Если рассматриваемую систему провести по замкнутому циклу в пространстве её макросостояний и проинтегрировать любой такой дифференциал вдоль её пути, то в результате получится нуль: путь замкнутый, конечное состояние совпадает с начальным, и, значит, что все термодинамические функции в конечном состоянии совпадут с начальным состоянием. А вот с теплотой в общем случае так сделать не получится, так как нет такой термодинамической функции, как "теплота". С другой стороны, при теплопередаче количество передаваемой теплоты определено однозначно (как количество передаваемой при этом энергии, а энергия по первому началу термодинамики всегда сохраняется, сколько пришло - столько и должно потом уйти каким-то образом). Более того, при бесконечно малом изменении состояния системы количество переданного от окружения тепла, также, будет бесконечно малой величиной. Так что, можно (для обратимых процессов) написать, что $\delta Q = T dS$, чтобы, с одной стороны, показать, что это уравнение, связывающее бесконечно малые, а с другой стороны, показать, что только $dS$ в нём "правильный", т. е. полный дифференциал террмодинамической функции (состояния системы).

-- 27.04.2019, 02:51 --

Vladimirkey в сообщении #1389685 писал(а):

Про энтальпию читал, единственное знаю, что по ее изменению можно судить - пришло тепло или ушло.

Энтальпия, по определению: $H=E+pV$, и она, очевидно, является термодинамической функцией, так как функционально зависит только от других термодинамических функций. Энтальпия удобна при рассмотрении изобарных процессов, так как изменение энтальпии кроме изменения внутренней энергии, также, учитывает затраты энергии на увеличение объёма системы против внешнего давления. То есть можно забыть про внешнее давление, формально заменив в первом начале термодинамики для таких процессов внутреннюю энергию на энтальпию. А так как многие химические реакции проводятся в колбах именно при постоянном атмосферном давлении, понятие энтальпии реакции обычно применяется в химии для расчётов тепловых эффектов реакций.

[Munin]

Vladimirkey в сообщении #1389685 писал(а):

Да, я воображаю это так, потому что мне постоянно хочется сюда приплести два объекта

Так вы никогда ничего не поймёте. Ну, не желаете - не буду заставлять.

Vladimirkey в сообщении #1389685 писал(а):

тепловая энергия это тоже самое, что часть внутренней энергии, то есть кинетическая энергия движения молекул.

Понятие внутренней энергии слишком общее, она включает и тепловую, и кинетическую энергию. Я избегаю ею пользоваться.

Vladimirkey в сообщении #1389685 писал(а):

температура - степень нагретости, а нагретость тела - как раз отражение кинетической энергии движения молекул (чем выше, тем больше температура)

Существует (в классической статмеханике) теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы. Она утверждает, что температура отображается не только в кинетической энергии, но и во всех степенях свободы, которые могут возбуждаться. Например, если молекула в твёрдом теле испытывает притяжение и отталкивание, смещаясь со своей позиции, то и это смещение получит из-за тепловых движений некоторую ненулевую среднеквадратичную величину. Классический пример: атмосфера. Она становится тоньше с высотой, поскольку высота требует потенциальной энергии, и молекулы имеют усреднённую высоту, соответствующую температуре газа.

Vladimirkey в сообщении #1389685 писал(а):

То есть это понимать нужно как: реагенты вступают в реакцию, охлаждают сами себя

Грубо говоря, да. Хотя после реакции получаются уже не реагенты, а продукты.

Vladimirkey в сообщении #1389685 писал(а):

Какие тогда условия нужно создать, чтобы сконденсировать вещество (кроме того, что температуру конденсации и давления соответствующего), при этом это вещество "Выделило" тепло?

Никаких условий не нужно. Конденсация всегда выделяет тепло. Определённую энергию. Вот повысится ли при этом температура или нет - зависит от внешних условий.

Vladimirkey в сообщении #1389685 писал(а):

Вы говорите, что это не верно, не нужна разница температур.

Конденсировать газ можно, либо охлаждая, либо увеличивая давление. Это школьная программа.

Vladimirkey в сообщении #1389685 писал(а):

Именно так я понимал принцип работы конденсатора и фразу "Конденсация происходит с выделением тепла", то есть имелось ввиду, что некое количество теплоты нужно сбросить "насильно" за счет теплообмена с окружающей средой.

Нет, это тепло может остаться в конденсате.

[realeugene]

Munin в сообщении #1389697 писал(а):

Классический пример: атмосфера. Она становится тоньше с высотой

Что значит "тоньше с высотой"? Плотность воздуха снижается?

И атмосфера - это очень плохой и сложный "классический пример", так как она не только неравеновесная термодинамическая система, но и существенно нестационарная. Это приводит, например, к тому, что в атмосфере, на самом деле, газовый состав однородный до очень больших высот, в отличие от предсказаний простых моделей атмосферы как идеального газа.

[Vladimirkey]

Munin в сообщении #1389697 писал(а):

Так вы никогда ничего не поймёте. Ну, не желаете - не буду заставлять.

Да нет же, я понял.
Мне нужно было разграничить два механизма выделения (почему тепловая энергия может появиться в том или иной месте) тепловой энергии:
1) Просто мне всегда казалось, что тепловая энергия всегда связана с теплообменом, то есть должен иметься источник высокой температуры и низкой температуры, чтобы выделилось или поглотилось тепло. Механизм передачи энергии такой, что более быстрые молекулы толкают медленные, тем самым осуществляется переход тепловой энергии, таким образом можно говорить о выделении и поглощении тепла.
2) На самом деле выделение или поглощение тепловой энергии также связано с тем, что эта энергия может высвобождаться/поглощаться из химический связей. Механизм выделения или поглощения энергии здесь не подразумевает, что эта энергия возникает из-за того, что более быстрые молекулы толкают медленные, а в том, что есть некая энергия в химических связях, она высвобождается и так сказать дает толчок продуктам реакции, то есть по сути делает эти молекулы более быстрыми.
Но итог такой: что и там и там тепловая энергия, просто в 1) случае она передается, а во 2) случае она возникает без непосредственной передачи откуда-либо и эти механизмы можно комбинировать.
Понимать такую фразу, что где-то выделилась или поглотилась энергия первоначально нужно исходить из энергии химических связей, а теплообмен это уже дело второе.

Munin в сообщении #1389697 писал(а):

Никаких условий не нужно. Конденсация всегда выделяет тепло. Определённую энергию. Вот повысится ли при этом температура или нет - зависит от внешних условий.

Понятно, здесь скорее всего механизм такой, что как только начинается конденсация, то выделяется тепло и повышает температуру до такой, что конденсация прекращается, чтобы постоянно шла конденсация, то нужно это тепло отводить. В таком случае механизм 2) первичный (наверное, на химическом уровне здесь молекулы так сказать становятся ближе и как раз из-за того, что они сближаются, возникает какой-то избыток энергии, который и есть тепловая энергия), чтобы продолжалась далее реакция, нужно воспользоваться теплообменом и механизмом 1).
С выделением тепла я более менее разобрался, если мои выкладки выше являются верными.

С поглощением с точки зрения физики абсолютно не понимаю механизм наподобие с выделением тепла.
Что касается реакции: получается, что энергия у продуктов реакции выше стала, чем у реагентов для эндотермическое реакции, откуда этот излишек энергии берется. Если мы говорим, что он берется у самих же веществ, то как такое может быть, что первоначально была одна энергия, стала больше, при этом ниоткуда не добавлялось ничего, это не противоречит ЗСЭ?
Испарение идет с поглощением тепла: здесь нужно тоже понимать с точки зрения того, что молекулы в жидкости забирают тепловую энергию сами у себя, вылетают, тем самым охлаждают сами себя, в этом смысле говорят, когда идет испарение, то оно идет с "поглощением" теплоты? А то, что испарением можно дальше охладить, то тут уже механизм такой: 2) изначально и потом 1) (те, которые я в первом сообщении описал), что жидкость сама себя охладила, а далее, охладила то, что находилось рядом с помощью теплообмена.

realeugene
Спасибо, не все понял конечно, но что-то почерпал от вашего сообщения. А где об этом можно почитать, чтобы лучше понять?

[Munin]

realeugene
Вы, видимо, в упор не понимаете, на каком уровне эта тема.

[realeugene]

Vladimirkey в сообщении #1389768 писал(а):

А где об этом можно почитать, чтобы лучше понять?

ЛЛ5 например. Шучу. Но я сам когда-то давно учил статы именно по нему, мне тогда понравилось, насколько я помню.

Я уже про учебники не в теме. Недавно я тут цитировал оксфордский учебник (скачанный когда-то откуда-то), мне он кажется неплохим для младшекурсников. В качестве одной иллюстрации авторы считают, например, наргев сферической курицы в печке. И разницу между полными и неполными дифференциалами разъяснеяют и иллюстрируют. Но там математика конечно на университетском уровне, а не на пальцах, с соответствующими пояснениями по математике в приложениях.

-- 27.04.2019, 15:38 --

Munin в сообщении #1389771 писал(а):

Вы, видимо, в упор не понимаете, на каком уровне эта тема.

Насколько я понимаю, Vladimirkey - не школьник, а давно взрослый человек, когда-то давно изучивший физику с математикой, но почти всё позабывший.

-- 27.04.2019, 15:44 --

Vladimirkey в сообщении #1389768 писал(а):

для эндотермическое реакции, откуда этот излишек энергии берется.

Теплопередачей от окружающей среды. Продукты оказались холоднее, если система не изолирована, попёр снаружи в неё поток тепла, т. е. энергии. При протекании самой химической реакции при постоянном давлении, разумеется, суммарная энтальпия системы не меняется (из-за изменения объёма системы внутренняя энергия всё-таки меняется быстро).

[Munin]

realeugene в сообщении #1389774 писал(а):

Насколько я понимаю, Vladimirkey - не школьник, а давно взрослый человек

Ну зато вопросы он задаёт на уровне 9-го класса, если не 7-го. Вы почитайте, что он пишет. Какие полные дифференциалы, когда он мыслит себе среду в одном месте, а реакцию в другом месте?

[Vladimirkey]

realeugene в сообщении #1389774 писал(а):

Теплопередачей от окружающей среды. Продукты оказались холоднее, если система не изолирована, попёр снаружи в неё поток тепла, т. е. энергии. При протекании самой химической реакции при постоянном давлении, разумеется, суммарная энтальпия системы не меняется (из-за изменения объёма системы внутренняя энергия всё-таки меняется быстро).

Если снаружи пошел поток тепла, то почему они стали "холоднее", а не "теплее"?
Я не понимаю логику, мне объяснили, что

Toolt в сообщении #1389655 писал(а):

"Теплота поглощается из теплоты вещества, в том месте, в котором поглощается" (Munin)

то есть теплота поглощалась не из окружающей среды теплопередачей, а каким-то образом из веществ реакций.

И вот я снова возвращаюсь к среде по отношению к эндотермической реакции. Из Ваших слов я понимаю, что реакция идет, теплота поглощается ИЗ окружающей среды, но тогда должна среда охлаждаться, а не продукты реакции. Как понимать это?

[realeugene]

Vladimirkey в сообщении #1389795 писал(а):

Я не понимаю логику, мне объяснили, что

Да забудьте про "теплота поглощается". Понятие теплоты как интенсивной термодинамической величины вроде некого "теплорода", хорошо для школы или для инженеров-теплотехников в котельной (и оно, действительно, применимо в таких случаях), но в термодинамике химических реакций, на мой взгляд, оно только вводит вас в заблуждение.

Vladimirkey в сообщении #1389795 писал(а):

Если снаружи пошел поток тепла, то почему они стали "холоднее", а не "теплее"?

Потому что при протекании химической реакции при постоянном давлении без теплообмена с окружающей средой энтальпия сохраняется, и в новом химическом состоянии этой энтальпии, давлению и химическому составу соответствует макросостояние с меньшей температурой, чем исходная температура при исходном химическом составе. В результате, чтобы возвратить систему к исходным температуре и давлению, в неё нужно добавить энергии. Эта энергия добавляется за счёт теплопередачи от более тёплой окружающей среды. Да, окружающая среда при этом немного остывает, что и воспринимается как "выделение холода" эндотермической реакцией.

-- 27.04.2019, 16:31 --

Munin в сообщении #1389791 писал(а):

Ну зато вопросы он задаёт на уровне 9-го класса, если не 7-го. Вы почитайте, что он пишет. Какие полные дифференциалы, когда он мыслит себе среду в одном месте, а реакцию в другом месте?

А как вы себе представляете полноценную термодинамику без термодинамических функций и неполных дифференциалов? Про теплород рассказывать ему будем? Считаю, что можно рассказывать слишком сложно: есть шанс, что будет стимул прочитать и вспомнить, но не нужно врать человеку.

[Munin]

realeugene в сообщении #1389800 писал(а):

Да забудьте про "теплота поглощается". Понятие теплоты как интенсивной термодинамической величины вроде некого "теплорода", хорошо для школы или для инженеров-теплотехников в котельной (и оно, действительно, применимо в таких случаях), но в термодинамике химических реакций, на мой взгляд, оно только вводит вас в заблуждение.

Ну да, и тепловой энергии не существует.

ТС начинал с ещё более весёлой идеи: будто поглощается температура. Пусть уж лучше думает про тепловую энергию как про "теплород".

realeugene в сообщении #1389800 писал(а):

А как вы себе представляете полноценную термодинамику без термодинамических функций и неполных дифференциалов?

А зачем ему сейчас полноценная термодинамика, когда он более базовых вещей не понимает? Температуру с энергией путает.

realeugene в сообщении #1389800 писал(а):

Считаю, что можно рассказывать слишком сложно

Практика показывает, что нет, никогда не срабатывает.

realeugene в сообщении #1389800 писал(а):

но не нужно врать человеку.

А врать ему никто и не врёт.

[realeugene]

Munin в сообщении #1389807 писал(а):

Ну да, и тепловой энергии не существует.

Цитата:

heat is energy in transit.

Цитата:

The ‘in transit’ part of our definition is very important. Though you can add heat to an object, you cannot say that ‘an object contains a certain quantity of heat.’ This is very different to the case of the fuel in your car: you can add fuel to your car, and you are quite entitled to say that your car ‘contains a certain quantity of fuel’. You even have a gauge for measuring it! But heat is quite different. Objects do not and cannot have gauges which read out how much heat they contain, because heat only makes sense when it is ‘in transit’.

Это я продолжаю цитировать оксфордский учебник для младшекурсников.

[Munin]

Продолжайте-продолжайте. И продолжайте думать, что приносите пользу, а не продолжаете запутывать человека.

Я буду в эту тему писать, только если Vladimirkey меня явно попросит.