2020-10-10
394
Переход системы из одного состояния в другое называется процессом. При каждом процессе одни параметры системы изменяются, а другие остаются неизменными. В зависимости от того, какие параметры системы остаются постоянными, процессы делятся на следующие:
1) изохорные (V = const);
2) изобарные (р = const);
3) изотермические (Т = const);
4) изохорно-изотермические (V = const и Т = const);
5) изобарно-изотермические (р = const и Т = const);
6) адиабатные – процессы, протекающие в изолированной системе, когда система не отдает теплоту в окружающую среду и не получает из окружающей среды (Q = 0).
В зависимости от способа проведения процессов они могут быть термодинамическими обратимыми или необратимыми.
Первый закон (первое начало) термодинамики
В любом процессе соблюдается закон сохранения энергии, выражаемый равенством
Q = Δ U + A,
которое означает, что теплота Q, подведенная к системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии ΔU и на совершение системой работы А над внешней средой. Это уравнение - математическое выражение первого закона (первого начала) термодинамики.
Внутренняя энергия системы U характеризует общий запас энергии системы и включает в себя:
- кинетическую энергию поступательного, вращательного и колебательного движения молекул;
- энергию связи между молекулами;
- энергию связи атомов в молекулах;
- энергию электронов в атомах;
- внутриядерную энергию,
то есть все виды энергии, за исключением кинетической энергии системы в целом (энергии, связанной с движением тела) и потенциальной энергии положения системы в пространстве.
Измерить абсолютное значение внутренней энергии системы U невозможно, но так как теплоту Q и работу А можно определить, то можно рассчитать изменение внутренней энергии Δ U в результате какого-то процесса:
Δ U = Q – A.
Если внутренняя энергия системы увеличивается, величина Δ U берется со знаком “плюс”; напротив, отрицательная величина Δ U говорит об уменьшении внутренней энергии. Внутренняя энергия измеряется в джоулях или килоджоулях. Внутренняя энергия является термодинамической функцией состояния системы. Изменение внутренней энергии Δ U не зависит от пути и способа перехода системы из одного состояния в другое и определяется разностью величин внутренней энергии в этих двух состояниях: Δ U = U 2 - U 1, где U 2 и U 1 – внутренние энергии системы в конечном и начальном состояниях соответственно.
Применение первого закона термодинамики к различным процессам
1. При изохорном процессе,протекающем в замкнутом пространстве при V = const. При таком процессе отсутствует расширение Δ V = 0 и связанная с ним работа, поэтому уравнение первого закона термодинамики имеет вид
QV = Δ U. (3.1)
Это означает, что при изохорном процессе вся поглощаемая системой теплота тратится на приращение внутренней энергии системы (или, наоборот, все изменение внутренней энергии обращается в теплоту, выделяющуюся при процессе).
Прежде чем рассматривать применение первого закона термодинамики к изобарному процессу, познакомимся с термодинамической функцией состояния системы, называемой энтальпией (Н). Она определяется соотношением Н = U + рV.
2. Для изобарного процесса уравнение первого закона термодинамики имеет вид
Qp = Δ U + p Δ V;
Qp = (U 2 - U 1) + p (V 2 - V 1);
Qp = (U 2 + pV 2) - (U 1 + pV 1);
Qp = H 2 - H 1;
Qp = - Δ H. (3.2)
Энтальпия является функцией состояния системы. Значит, в изобарном процессе количество поглощенной теплоты (или выделенной теплоты) не зависит от способа проведения процесса и определяется только начальным и конечным состоянием системы. Из уравнения (3.2) видно, что в изобарном процессе количество теплоты измеряется изменением энтальпии.
3. В изотермическом процессе внутренняя энергия системы – величина постоянная, Δ U = 0. Тогда уравнение первого закона термодинамики имеет вид
QT = А. (3.3)
Следовательно, при изотермическом процессе поглощенная теплота расходуется только на совершаемую системой механическую работу.
4. При адиабатном процессе, когда Q = 0, уравнение первого закона термодинамики примет вид
А = -Δ U. (3.4)
Это означает, что в адиабатном процессе механическая работа совершается только за счет убыли внутренней энергии системы.
Термохимия
Термохимия изучает тепловые эффекты химических реакций, то есть количество теплоты, которое выделяется или поглощается в ходе химической реакции. Термохимия – это применение первого закона термодинамики к химическим процессам.
