Второй закон термодинами­ки

Все многообразные процессы, происходящие в окружающем нас мире — в природе, в производственных и других условиях, можно разделить на 3 группы.

1. Процессы, для совершения которых требуется затрата рабо­ты извне в количестве, прямо пропорциональном производимому изменению.

2. Процессы, для течения которых не требуется затраты работы извне и в результате которых не может быть получена работа против внешних сил.

3. Процессы, которые могут протекать самопроизвольно, т.е. без затраты работы извне, причем в результате их мо­жет быть получена работа против внешних сил в количестве, пропорциональном происшедшему изменению.

Примерами процессов первой группы могут служить поднятие какого-нибудь тела на более высокий уровень, разложение воды действием электрического тока и т. д.

Примерами процессов второй группы являются передвижение шара по строго горизонтальной плоскости или качание маятника без трения.

К третьей группе принадлежат такие процессы, как опускание груза па более низкий уровень, взаимная нейтрализация сильной кислоты и сильного основания, любая реакция, используемая в работающем гальваническом элементе, сгорание горючего, взрыв взрывчатого вещества, ржавление железа, кристаллизация пере­охлажденной или вскипание перегретой жидкости, переход веще­ства из стеклообразного состояния в кристаллическое и др. Про­цессы этой группы называют положительными, в отличие от процессов первой группы, требующих затраты работы, которые называют отрицательными.

Основными положениями первого закона, как мы виде­ли, являются утверждения о постоянстве количества внутренней энергии, содержащейся в какой-нибудь изолированной системе, и об эквивалентности различных форм энергии, а также соотноше­ние, связывающее изменение внутренней энергии системы с коли­чествами поступившей теплоты и произведенной работы. При этом первый закон не касается характера, возможности и направления тех процессов, при которых могут или будут происходить те или иные превращения энергии.

Второй закон определяет прежде всего, какие из процессов в рассматриваемой системе при заданных температуре, давлении, концентрациях и пр. могут протекать самопроизвольно (т.е. без затраты работы извне), каково количество работы, которая может быть получена при этом, и каков предел возможного самопроизвольного течения процессов, т.е. каково состояние равновесия в данных условиях.

Второй закон дает возможность определить далее, какими должны быть внешние условия, чтобы интересующий нас процесс мог происходить в нужном нам направлении и в требуемой степени. Для процессов, требующих затраты работы, с помощью второго закона можно определить количество работы, необходимой для проведения процесса, и зависимость этого количества от внешних условий.

Все это имеет очень большое значение, как для исследования теоретических проблем физической химии, так и для решения раз­личных задач прикладного характера.

В отличие от первого закона термодинамики, второй закон обладает более ограниченной областью применения. Он носит статистический характер и применим, поэтому лишь к си­стемам из большого числа частиц, т.е. таким, поведение которых может быть выражено законами статистики.

Существуют два термодинамических метода рас­смотрения возможности и направления самопроизвольного проте­кания процессов, и они строго связанны между собой. Пер­вый метод основан на том, что не только величина работы, но и величины различных форм энергии или перехода ее могут рассматриваться как произведение двух величин — фактора интенсивности и фактора емкости (или экстенсивности). Фактор интенсивности характеризует напряжение или потенциал данного вида энергии, как, например, давление газа, температура тела, потенциал электрического заряда. Для факторов интенсивности характерно, что они не зависят от количества вещества, количества электричества, объема и т. д., носящих общее название факторов емкости. Возможность, направление и предел самопроизвольного протекания процессов перехода энергии или вещества от одной части системы к другой зависят только от соотношения факторов интенсивности.

Этот метод может быть выражен следующим положением: самопроизвольное протекание процессов взаимодей­ствия между.различными частями системы возможно только в направлении выравнивания фактора интенсивности (температуры, давления, электрического потенциала, химического потенциала и др.) для всех частей системы; достижение одинакового значения этого фактора является пределом самопроизвольного течения про­цесса в данных условиях и, следовательно, условием равновесия.

Этот метод неприменим к системам однородным или вообще к процессам, протекание которых не вызывается неоднородностью системы, он неприменим, в частности, к гомогенным химическим реакциям.

Второй метод является более общим, так как применим и к процессам, совершающимся в однородных системах. Он выра­жается следующим положением, тоже вытекающим из второго закона термодинамики: для любой термодинамической системы при данных условиях ее существования всегда имеется некоторый общий критерий, которым характеризуется возможность, направ­ление и предел самопроизвольного протекания термодинамических процессов. Для других условий существуют другие подобные кри­терии. Этими критериями служат некоторые термодинамические параметры веществ, образующих данную систему и системы в це­лом. Например, для изолированных систем таким критерием слу­жит термодинамический параметр, получивший название энтропии S. Для систем, находящихся при других усло­виях, существуют другие термодинамические параметры. Второй закон термодинамики устанавливает, что в изолированных системах самопроизвольно могут совершаться только такие процессы, при которых энтропия системы возра­стает, и процесс может идти самопроизвольно только до такого состояния, при котором энтропия обладает максимальным для данных условий значением.

Например, переход теплоты, переход газа, смешение газов также удовлетворяют этому, являясь лишь частным случаем возможных процессов. Так, переход теплоты от более горячего тела к более холодному сопровождается возраста­нием суммарной энтропии взаимодействующих тел, которая дости­гает максимального значения, когда температуры обоих тел выравниваются.

Сабақтың қысқаша мазмұны

Химиялық термодинамика – термодинамиканың заңдарын химиялық және физика-химиялық құбылыстарға қолдануға оқытады және мыналарды қарастырады:

1) процестердің жылулық баланстарын;

2) жеке заттар мен қоспалардың фазалық тепе-теңдігін;

3) химиялық тепе-теңдік.

Жылулық баланстары термодинамиканың бірінші заңы (бастамасы) негізінде құрастырылады.

Фазалық және химиялық тепе-теңдіктері термодинамиканың екінші және үшінші заңдары (бастамалары) негізінде талданады.

Термодинамикалық оқытылатын кез-келген объект (нысан) жүйе деп аталады. Өзара немесе басқа денелермен энергия және затпен алмаса алатын денелер жиынтығы термодинамикалық жүйе деп аталады.