Предмет и задачи термодинамики

 

Термодинамика возникла в конце первой половины 19 века. В тот период цель термодинамики сводилась к установлению взаимосвязи между теплотой и работой и разработке теории паровой машины. В дальнейшем цели термодинамики расширяются и основные ее положения используются в различных областях, в том числе и химии.

Термодинамика базируется на трех законах, из которых все остальные положения данной науки можно получить путем логических рассуждений.

Первый закон термодинамики связан с законом сохранения энергии и позволяет рассчитывать тепловые балансы процессов.

Второй закон термодинамики - закон о возможности протекания самопроизвольных процессов.

Третий закон термодинамики - закон об абсолютном значении энтропии.

Та часть термодинамики, которая имеет дело с применением этих законов к химическим процессам и фазовым переходам называется химической термодинамикой.

Химическая термодинамика разрабатывает наиболее рациональные методы расчета тепловых эффектов химических процессов, раскрывает закономерности при равновесии, определяет благоприятные условия для осуществления химического процесса.

 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ

ТЕРМОДИНАМИКИ

 

СИСТЕМА - тело или группа тел, мысленно выделенная из окружающей среды.

ОТКРЫТАЯ СИСТЕМА - система, которая может обмениваться с окружающей средой энергией и веществом.

ЗАКРЫТАЯ СИСТЕМА - отсутствует обмен веществом с окружающей средой, но она может обмениваться энергией с ней.

ИЗОЛИРОВАННАЯ СИСТЕМА - система, объем которой остается постоянным и которая не обменивается энергией и веществом с окружающей средой.

Система может быть гомогенной или гетерогенной.

Совокупность всех физических и химических свойств системы называется

состоянием системы. Свойства, которые могут быть выражены через функции температуры, давления и концентрации веществ называются термодинамическими. Для полного описания системы достаточно знать некоторое наименьшее число термодинамических свойств, которые рассматривают как внутренние параметры системы (параметры состояния системы).

Обычно в качестве параметров состояния системы выбирают такие ее свойства, которые наиболее легко определить экспериментальным путем, например давление (Р),объем (V),температура (Т) и концентрация (Сi)компонентов.

Параметры состояния системы связаны между собой соотношением, которое называется уравнением состояния. В общем виде f(P,V,T) = 0

PV = n RT

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС - изменение во времени хотя бы одного из термодинамических свойств.

САМОПРОИЗВОЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ - процессы, не требующие затраты энергии извне.

НЕСАМОПРОИЗВОЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ -процессы, требующие затраты энергии.

РАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ - состояние системы, которое сохраняется неизменным во времени.

ПОСТУЛАТ - Протекание самопроизвольного процесса в конечном счете приводит систему в равновесное состояние.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ - совокупность всех видов энергии частиц в системе. Обозначается U. Является функцией состояния, т.е. ее изменение не зависит от того как идет процесс, а будет определяться только исходным и конечным состояниями системы.

РАБОТА ПРОЦЕССА - форма передачи энергии от изучаемой системы к окружаюшей среде или от окружающей среды к системе путем преодоления сил, действующих на систему со стороны окружающих тел или в противоположном направлении. Обозначается W(A). Работа, совершаемая системой, принимается положительной, а работа окружающей среды отрицательной. Полная работа (W) рассматривается как сумма работ изменения объема системы и всех других видов работ, связанных с преодолением сил, действующих на систему, называемых полезной работой (W_п). Работа определяется соотношением

W = F dl

Если действующая сила вызвана внешним давлением (F = PS), где S - площадь, к которой приложено давление, то работа преодоления внешнего давления

W = P S dl = P dV

Полная работа

W = P dV + W_п

ТЕПЛОТА ПРОЦЕССА (Q) - форма передачи энергии от изучаемой системы к окружающей среде путем микрофизических процессов (столкновений молекул).Теплота считается положительной, когда она подводится к системе.

 

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

 

Он является по существу законом сохранения энергии, представленным в форме, удобной для термодинамического анализа.

Закон сохранения энергии - энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, она может лишь в различных формах переходить от одних тел к другим, но общее ее количество в изолированной системе не изменится ни при каких условиях.

В термодинамике изменение внутренней энергии системы выражается через количество теплоты и работ, которыми система обменивается с окружающей средой.

С учетом правила знаков первый закон термодинамики математически выражается

DU = Q - W = Q - PdV – W_п

Для бесконечно малого изменения

 

dU =δQ - δW =δQ - PdV - δW_n

 

Формулировки первого закона

1.Изменение внутренней энергии термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, подведенной к системе и количеством работы, совершенной системой.

2.Вечный двигатель первого рода невозможен или нельзя совершать работу без затраты энергии.

3.Внутренняя энергия изолированной системы постоянна

(dU = 0, U = const)