Основы химической термодинамики

1. Основные понятия термодинамики

Термодинамика - наука, изучающая взаимные переходы теплоты и работы в равновесных системах и при переходе к равновесию. Химическая термодинамика - раздел физической химии, в котором термодинамические методы применяются для анализа химических явлений: химических реакций, фазовых переходов и процессов в растворах.

Объект изучения термодинамики - термодинамические системы , т.е. макроскопические объекты, отделенные от окружающего пространства реальной или мысленной поверхностью. Системы бывают:

• открытые , в которых существует обмен энергией и веществом с окружающей средой;
• закрытые , в которых существует обмен энергией с окружением, но нет обмена веществом;
• изолированные , в которых нет обмена с окружением ни энергией, ни веществом.

Состояние системы описывают с помощью макроскопических параметров . Параметры бывают:

• внутренние , которые определяются только координатами тел системы, например: плотность или внутренняя энергия U ;
• внешние , которые определяются координатами тел в окружающей среде, например, объем V (при фиксированном положении стенок сосуда) или напряженность электрического поля E ;
• экстенсивные , которые прямо пропорциональны массе системы или числу частиц, например, объем V , энергия U , энтропия S , теплоемкость C ;
• интенсивные , которые не зависят от массы системы или числа частиц, например, температура T , плотность , давление p . Отношение любых двух экстенсивных параметров является интенсивным параметром, например парциальный мольный объем V или мольная доля x .

Среди термодинамических параметров выделяют обобщенные силы и обобщенные координаты . Обобщенные силы описывают состояние равновесия. К ним относят давление p , химический потенциал , электрический потенциал , поверхностное натяжение . Обобщенные силы - интенсивные параметры.

Обобщенные координаты - это величины, которые изменяются под действием соответствующих обобщенных сил. К ним относятся объем V , количество вещества n , заряд e , площадь W . Все обобщенные координаты - экстенсивные параметры.

Состояние системы описывается также с помощью термодинамических функций , которые зависят от параметров. Различают:

• функции состояния , которые зависят только от состояния системы и не зависят от пути, по которому это состояние получено;
• функции перехода , значение которых зависит от пути, по которому происходит изменение системы.

Примеры функций состояния: энергия U , энтальпия H , энергия Гельмгольца F , энергия Гиббса G , энтропия S . Термодинамические параметры объем V , давление p , температуру T также можно считать функциями состояния, т.к. они однозначно характеризуют состояние системы. Примеры функций перехода: теплота Q и работа A .

Функции состояния характеризуются следующими свойствами:

1. бесконечно малое изменение функции f является полным дифференциалом (обозначается df );
2. изменение функции при переходе из состояния 1 в состояние 2 определяется только этими состояниями: ;
3. в результате любого циклического процесса функция состояния не изменяется:

.

Параметры системы могут зависеть или не зависеть от времени. В зависимости от этого различают следующие состояния термодинамических систем:

• стационарное , когда параметры системы не зависят от времени, но в системе есть потоки (например, массы или энергии);
• равновесное , когда параметры системы не зависят от времени и нет потоков;
• неравновесное , когда параметры системы зависят от времени.

Если хотя бы один из параметров системы меняется со временем, то говорят, что в системе происходит процесс . Процессы бывают:

• обратимые , когда переход системы из одного состояния в другое и обратно может происходить по одному и тому же пути, и после возвращения в исходное состояние в окружающей среде не остается макроскопических изменений;
• квазистатические , или равновесные , которые происходят под действием бесконечно малой разности обобщенных сил;
• необратимые , или неравновесные , когда параметры меняются с конечной скоростью.

Все выводы и соотношения термодинамики основаны на двух постулатах (исходных положениях) и трех законах (началах).

Первое исходное положение, или основной постулат термодинамики:

Любая изолированная система с течением времени приходит в равновесное состояние и самопроизвольно не может из него выйти.

Это положение ограничивает размер систем, которые описывает термодинамика. Оно не выполняется для систем астрономического масштаба и микроскопических систем с малым числом частиц. Системы галактического размера самопроизвольно не приходят в состояние равновесия благодаря дальнодействующим гравитационным силам. Ми

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать