1 закон термодинамики

1.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
ШКОЛА ФАРМАЦИИ
Тема: Предмет физической химии. Первый закон
термодинамики. Определение тепловых эффектов.
Дисциплина: Физическая и коллоидная
химия
Специальность: Технология
фармацевтического производства,
Фармация
Лектор: ассоциированный профессор
школы фармации Мамбетерзина Г.К.

2. ПЛАН ЛЕКЦИИ

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Предмет физической химии.
2. Химическая термодинамика.
Основные понятия.
3. Первый закон термодинамики.
4. Термохимия. Закон Гесса.
5. Определение тепловых
эффектов.
6. Биоэнергетика.

3.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Что изучает физическая химия?
Физическая химия — это наука, которая находится на стыке
физики и химии, исследуя физические явления в химических
системах.
Физическая химия помогает нам понять, как вещества
взаимодействуют на молекулярном уровне, что очень важно в
фармацевтике.
Исследование процессов
Позволяет исследовать физические и химические процессы
на молекулярном уровне, раскрывая механизмы реакций.
Важность для фармацевтики
Дает глубокое понимание свойств лекарственных веществ и
процессов производства, от синтеза до стабилизации.
Например, физическая химия изучает
растворимость активных веществ, процессы
кристаллизации и тепловые эффекты,
сопровождающие синтез и хранение
препаратов.

4.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Термодинамика - это
наука, изучающая
взаимные превращения
различных видов энергии,
связанные с переходом
энергии в форме теплоты
и работы.

5.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Основные понятия и термины
Термодинамическая система это
любая
совокупность
тел,
отделенная от внешней среды
поверхностью
раздела, внутри
которой
возможен
массои
теплообмен.

6.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Основные понятия термодинамики
В зависимости от способности системы обмениваться с
окружающей средой энергией и веществом различают
изолированные, закрытые и открытые системы.
Изолированной системой называют систему, которая не
обменивается с окружающей средой ни веществом, ни
энергией.
Систему, которая обменивается с окружающей средой
энергией и не обменивается веществом, называют закрытой.
Открытой системой называют систему, обменивающуюся с
окружающей средой и веществом, и энергией.

7.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
↔ энергия
масса
Открытая
система
(живой организм)
↔ энергия
Закрытая
система
(запаянная ампула
с лекарством)
Изолированная
система
(термос)
Классификация систем по характеру
взаимодействия с окружающей средой

8. Основные понятия химической термодинамики

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Основные понятия химической термодинамики
Термодинамические параметры - это совокупность
физических величин, определяющих состояние
системы: температура (t), давление (р), объем (V).
концентрация (с).
Функциональная зависимость термодинамических
параметров выражается уравнением состояния.
Для газообразных систем эти параметры связаны
между собой уравнением Менделеева – Клапейрона:
p·V= n(х)·R·Т,
n(x) =m(x)/M(x) [моль]
R= 8,3 14 Дж · моль-1·К-1

9. Основные понятия химической термодинамики

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Основные понятия химической термодинамики
Термодинамические параметры
называются стандартными, если они
определяются при стандартных
условиях.
К стандартным условиям относят:
t=250С или
0
Т= (t С +273) = 298 К
р= 101,3 кПа = 1 атм
С(х) = 1 моль · дм-3

10. Основные понятия химической термодинамики

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Основные понятия химической термодинамики
Термодинамический процесс –
изменение состояния системы,
сопровождающееся изменением
хотя бы одного
термодинамического параметра.

11. Основные понятия химической термодинамики

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Основные понятия химической термодинамики
В зависимости от того, какой из
параметров состояния при протекании
термодинамического процесса остается
постоянным,
различают
следующие
термодинамические процессы:
изотермический (Т = const),
изобарный (р = const),
изохорный (V = const),
адиабатический (Q= const).

12. Функции состояния системы

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Функции состояния системы
В термодинамике для определения
изменения энергии системы
пользуются различными
энергетическими
характеристиками, которые
называются термодинамическими
функциями состояния системы.

13. Функции состояния системы

НАО «Карагандинский
Медицинский Университет»
Термодинамические функции – переменные величины,
которые не могут быть непосредственно измерены и зависят
от параметров состояния.
К термодинамическим функциям
1. Внутренняя энергия (U).
2. Энтальпия (Н).
3. Энтропия (S).
4 Энергия Гиббса (свободная
энергия) (G).
системы относятся:

14. Функции состояния системы

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Функции состояния системы
1. Внутренняя энергия (U)
Внутренняя
энергия
системы
складывается из кинетической энергии
движения молекул или атомов, образующих
систему,
потенциальной
энергии
их
взаимодействия и внутримолекулярной
энергии.

15.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Внутренняя энергия (U):
Абсолютное значение внутренней
энергии измерить невозможно,
поэтому измеряют ее приращение:
Uсистемы = Uкон - Uнач
Бесконечно малое изменение U
является полным дифференциалом
dU.

16.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Энтальпия (от греч. entalpio
- нагреваю) - это часть
внутренней энергии
системы, которая может
совершить полезную
работу.
Теплота расширения в изобарном процессе:
W= p·ΔV, где
ΔV - изменение объема системы, ΔV=V2-V1

17. Функции состояния системы

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Функции состояния системы
Энтальпия - это функция
состояния системы, приращение
которой
равно
теплоте,
поступившей
в
систему
в
изобарном процессе.
Т.к. ΔН=Qр, => ΔН = ΔU + р·ΔV [кДж·моль-1]
Энтальпию часто называют «тепловой
функцией» или «теплосодержанием»
системы.

18.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Первый закон термодинамики:
Частный случай закона
сохранения энергии
1. Теплота, сообщенная
системе идет на
пополнение запасов
внутренней энергии и
на совершение работы.
2.Вечный
двигатель
первого
рода
невозможен.
Энергия системы
В фармацевтике это
означает, что полная
энергия системы
включает внутреннюю
энергию, работу и
тепло.
Формула
Q = ΔU + W
,где \ΔU — изменение
внутренней энергии,
Q— тепло, W— работа.
Этот закон позволяет точно
отслеживать
энергетические изменения
в любой фармацевтической
системе.
Понимание первого закона важно для контроля и оптимизации всех
энергетических процессов в фармацевтическом производстве.

19.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Тепловые эффекты в фармацевтическом производстве
Реакции в фармацевтике могут быть как эндотермическими (поглощающими тепло),
так и экзотермическими (выделяющими тепло).
Типы реакций
Например, синтез некоторых
антибиотиков может быть
экзотермическим, тогда как процессы
сублимации или лиофилизации
являются эндотермическими.
Измерение
Для точного измерения тепловых
эффектов используются методы
калориметрии, такие как
дифференциальная сканирующая
калориметрия (DSC) и
дифференциальный термический
анализ (DTA).
Понимание и контроль тепловых эффектов критически важны, поскольку они напрямую влияют на
стабильность, растворимость и, как следствие, биодоступность лекарственных препаратов.

20.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Функции состояния системы
Экзотермический
процесс, ΔН<0 .
Эндотермический
процесс, ΔН>0

21.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Термохимия
Раздел ТД, изучающий изменение
энергии при протекании химических
процессов, называется термохимией.

22.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»

23. Закон Гесса

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Например: Если
С (т) + О2 (г) = СО2 (г), ΔН1;
или провести процесс по этапам:
С (т) + 1/2О2 (г) = СО (г), ΔН2;
СО (г) + 1/2О2 (г) = СО2 (г), ΔН3,
то
ΔН1 = ΔН2 + ΔН3.

24. Закон Гесса

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Энтальпия образования
вещества (теплота
образования) – это тепловой
эффект реакции образования 1
моля вещества из простых
веществ, обозначается:
ΔНобр(Х) [кДж · моль-1].
Калориметр

25. Закон Гесса

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Энтальпия
образования,
измеренная
при
стандартных
условиях, называется стандартной
энтальпией образования и является
справочной величиной, обозначается:
ΔН0обр(Х) [кДж · моль-1].
Для простых веществ стандартная
энтальпия образования = 0.
ΔН0обр(простых веществ) = 0

26. Первое следствие закона Гесса

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Первое следствие закона Гесса
Тепловой эффект процесса равен алгебраической
сумме энтальпий образования продуктов за вычетом
алгебраической суммы энтальпий образования
реагентов с учетом их стехиометрических
коэффициентов.
ΔН0проц. = ∑nΔН0обр(прод) - ∑nΔН0обр(реаг),
ΔН0проц.[кДж ·моль-1].

27.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
27
CS2(к) +
ΔН0обр:
87.9кДж/моль
3O2(г) CO2(г) + 2SO2(г)
0 кДж/моль -393.5 кДж/моль -296.8 кДж/моль
Каждое значение ΔН0 должно быть
умножено на количество моль
вещества в уравнении.

28.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
CS2(к) +
ΔН0обр:
3O2(г) CO2(г) + 2SO2(г)
87.9кДж/моль
0 кДж/моль
-393.5 кДж/моль -296.8 кДж/моль
ΔН0проц.= ∑nΔН0обр(прод.) - ∑nΔН0обр(реаг.)
ΔН0х.р. = [-393.5 + 2(-296.8)] - [87.9 + 3(0)]
ΔН0х.р. = -1073.4 кДж
Q= –∆Н, т.е. термохимический тепловой
эффект реакции равен по абсолютной величине
термодинамическому тепловому эффекту, но
противоположен по знаку.

29. Закон Гесса

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Закон Гесса
Энтальпия сгорания (теплота
сгорания) – тепловой эффект
реакции сгорания 1 моля вещества
до высших оксидов, обозначается:
ΔHсгор.(Х) [кДж · моль-1].
Калориметр

30. Закон Гесса

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Закон Гесса
Энтальпия сгорания, измеренная при
стандартных условиях, называется
стандартной,
обозначается ΔН0сгор.(Х) [кДж · моль-1].

31.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Второе следствие закона Гесса:
Тепловой эффект химического процесса равен
алгебраической сумме энтальпий сгорания
реагентов за вычетом алгебраической суммы
энтальпий сгорания продуктов с учетом их
стехиометрических коэффициентов.
ΔН0проц. = ∑nΔН0сгор(реаг.) -∑nΔН0сгор(прод.),
[кДж · моль-1]

32.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Термодинамический метод исследования является
одним из наиболее надежных способов изучения
обмена веществ и энергии в живых организмах.
Превращения
энергии,
происходящие в
живых организмах,
являются предметом
биоэнергетики.

33. Особенности организации живых систем:

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Особенности организации живых систем:
Биологические системы
являются открытыми.
Процессы в живых системах в
конечном итоге необратимы.
Живые системы не находятся в
состоянии равновесия.
Все биологические системы
гетерогенны.

34.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»

35.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»

36. Закон Гесса

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Закон Гесса и его следствия применяют в научной
диетологии. С его помощью оценивают калорийность
пищевых продуктов.
Коэффициентом калорийности называется
тепловой эффект реакции сгорания одного
грамма вещества, взятый с противоположным
знаком.
К= - ΔН0сгор(Х)

37. Закон Гесса

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Коэффициенты калорийности основных
компонентов пищи равны:
К (белков и углеводов) = 16,5 – 17,2 кДж · г-1,
К (жиров) = 37,7 – 39,8 кДж · г-1.
Первое значение (16,5 и 37,7) – нижняя
граница. Второе значение (17,2 - 39,8) – верхняя
граница.

38. Закон Гесса

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Для расчета калорийности пищевых
продуктов используют формулы:
По нижней границе:
К = 16,5 m(б) + 16,5 m(у) + 37,7 m(ж) [кДж]
По верхней границе:
К = 17,2 m(б) + 17,2 m(у) + 39,8 m(ж) [кДж]

39. Закон Гесса

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
На основании данных по калорийности пищевых
продуктов, составляется научно- обоснованные нормы
их потребления для различных граждан населения, в
зависимости от пола, возраста, характера труда.
Пользуясь этими данными как средними величинами,
врач составляет нормы потребления пищевых веществ
для каждого пациента в отдельности.
Норма суточного потребления для взрослого организма:
Белков-80-100 г.
Жиров-60-70 г.
Углеводов-370-450 г.

40. Закон Гесса

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Суточная потребность человека в энергии
составляет:
1. При легкой работе в сидячем
положении-8400-11700 кДж (2000-2800 ккал).
2. При умеренной и напряженной
мышечной работе- 12500-15100 кДж (30003600 ккал).
3. При тяжелых физических нагрузках16700-20900 кДж (4000-5000 ккал).

41.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Энергия в фармацевтическом
процессе
Каждый этап производства лекарств
сопровождается энергетическими изменениями.
Понимание теплового баланса является ключом к
контролю качества и эффективности.
Пример: растворение активного вещества
Наблюдаем поглощение или выделение
тепла, что напрямую влияет на
стабильность раствора.
Тепловой баланс
Диаграмма теплового баланса при
растворении и кристаллизации помогает
визуализировать эти процессы.
Значение
Точное знание тепловых эффектов
необходимо для контроля качества и
оптимизации всех технологических
операций, от смешивания до сушки.

42.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Связь первого закона термодинамики с технологией производства
Оптимизация производственных процессов с
учётом теплового баланса позволяет
значительно улучшить качество продукции и
сократить затраты.
Сушка и грануляция
Контроль температуры и влажности
критичен для предотвращения деградации
активных веществ.
Таблетирование
Давление и тепло, выделяющееся при
таблетировании, могут влиять на прочность
таблеток и стабильность активного
вещества.
Экономия энергии
Оптимизация тепловых режимов ведет к
снижению энергопотребления и
повышению выхода качественной
продукции.

43.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Спасибо
за Ваше
внимание!