Основные понятия термодинамики

Термодинамика — это наука об энергетических свойствах объектов, состоящих из очень большого числа частиц, в различных энергетических состояниях и их изменениях в результате процессов, в которых эти объекты участвуют. Термодинамику (от греч. therme — теплота, dinamis — сила) рассматривают как науку, изучающую взаимопревращения различных видов энергий.

Предмет химической термодинамики состоит в изучении превращений различных форм энергии при протекании химических реакций и способности химических систем выполнять полезную работу.

Фундаментальные положения химической термодинамики могут быть использованы для:

• предсказания принципиальной возможности протекания химически реакции;

• предсказания направления самопроизвольного протекания процесса до достижения равновесного состояния;

• определения количества энергии, теоретически необходимого для проведения реакции, или количества энергии, выделяющегося при ее самопроизвольном протекании.

Основным объектом изучения термодинамики является термодинамическая система.

Термодинамическая система — любая достаточно большая совокупность объектов, отделенная от окружающей среды реальной или воображаемой граничной поверхностью.

В соответствии с данным определением к термодинамической системе можно отнести живую клетку, химический реактор (рис. 2.1), человека и т.п.

Рис. 2.1. Примеры термодинамической системы:

живая клетка (а), химический реактор ( б )

Окружение или окружающая среда — это часть материального мира за пределами условно выделенной из него термодинамической системы. Окружение включает все остальные объекты, которые могут оказывать влияние на исследуемую систему.

По характеру взаимодействия с внешней средой различают изолированные, закрытые и открытые термодинамические системы (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Примеры термодинамических систем:

изолированной (а), закрытой (б) и открытой (в)

Изолированная система — система, не обменивающаяся с окружающей средой ни энергией (теплотой или работой), ни веществом. Несмотря на невозможность ее практического воплощения, понятие изолированной системы позволяет сформулировать основные законы термодинамики.

Закрытая система — система, способная обмениваться с окружающей средой энергией, но не веществом.

Открытая система — система, способная обмениваться с окружающей средой и энергией, и веществом.

Система может состоять из одной фазы (гомогенная система) или нескольких фаз (гетерогенная система).

Фазой называется совокупность однородных по составу и физико-химическим свойствам частей системы, отделенных от других частей системы поверхностью раздела. Важно отметить, что свойства системы при переходе через поверхность раздела фаз изменяются скачкообразно.

Состояние системы определяется совокупностью физико-химических свойств (термодинамических параметров и термодинамических функций), которыми она характеризуется в данный момент времени.

Термодинамические параметры (измеряемые величины) подразделяют на

· экстенсивные, которые прямо пропорциональны количеству вещества системы, т.е. складываются при объединении систем (масса, объем, площадь поверхности и т.п.),

· и интенсивные, которые не зависят от количества вещества системы и выравниваются при объединении систем (давление, температура, концентрация).

Термодинамические функции (неизмеряемые величины) зависят от термодинамических параметров системы. Среди них выделяют следующие функции.

Функции состояния, зависящие только от состояния, в котором находится система, и не зависящие от пути, по которому система пришла к данному состоянию (например, внутренняя энергия и энтальпия).

Функции перехода, зависящие от пути, по которому система перешла из одного состояния в другое (например, теплота и работа).

Внутренняя энергия системы (U, Дж) определяется всеми видами движений и взаимодействий, составляющих систему элементарных частиц, молекул, атомов и ионов, а именно: энергией поступательного, колебательной и вращательного движений, энергией электромагнитного, гравитационной и других силовых взаимодействий.

Во внутреннюю энергию не включаются кинетическая и потенциальная энергии, характеризующие всю систем как единое целое (перемещение всей системы в окружающей среде и взаимодействие с внешними силовыми полями).

Абсолютное значение внутренней энергии определить невозможно, так как нам неизвестны все возможные виды взаимодействий внутри системы. Однако можно определит ее изменение (∆U) при переходе системы из начального состояния (1) в конечное (2):

∆U = U₂-U_v

Энтальпия системы (Н, Дж) определяется соотношением

Н = U + pV,

где U — внутренняя энергия; р — давление; V — объем системы.

Абсолютное значение энтальпии определить также невозможно; определяют ее изменение (∆Н) при переходе системы из начального состояния (1) в конечное (2):

∆Н = Н ₂ – Н₁.