ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Система - тело или группа тел, мысленно выделенных из окружающей среды. Системы подразделяют на следующие виды:

1 фаза 2 фаза

Открытая - система, которая может обмениваться с окружающей средой энергией и веществом (открытая колба с раствором, из которой может испаряться растворитель и которая может нагреваться и охлаждаться окружающей средой).

Закрытой - называют систему, з которой отсутствует обмен веществом с окружающей средой, но она может обмениваться с ней энергией и работой (плотно закрытая колба с раствором. из которой не может испариться растворитель, но она может нагреваться и охлаждаться окружающей средой).

Изолированной - называется система, не обменивающаяся веществом и энергией с внешней средой (раствор, помещенный в закрытый сосуд, стенки которого изготовлены из идеального теплоизоляционного материала).

Гомогенная - система, в которой каждый параметр ее во всех частях системы имеет одно и то же значение или непрерывно изменяется от точки к точке. Гомогенная система состоит из одной фазы.

Гетерогенная - состоит из нескольких макроскопических частей фаз), отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (лед-вода вода-бензол).

Фаза - гомогенная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела.

Состояние системы характеризуется совокупностью всех химических и физических свойств.

Свойства, которые зависят от массы и которые выравниваются при контакте систем, называют интенсивными (температура, давление, плотность, концентрация, химический потенциал).

Свойства, которые не зависят от массы, называют экстенсивными (объем, масса, теплоемкость, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия).

В термодинамике рассматривают те свойства, которые могут быть выражены через функции температуры, давления и концентрации веществ системы. Такие свойства называются термодинамическими (теплоемкость, внутренняя энергия, энтропия). Термодинамические свойства системы взаимосвязаны между собой. Для полного описания состояния системы достаточно бывает знать некоторое наименьшее число термодинамических свойств, которые называются параметрами состояния системы. Обычно в качестве параметров выбирают такие свойства системы, которые наиболее легко определяются экспериментально (Р, V, Т, с).

Свойства системы, которые не поддаются непосредственному измерению (внутренняя энергия, энтальпия), рассматривают как функции основных параметров состояния (функции состояния).

При переходе системы из одного состояния в другое изменяются ее свойства. Изменение свойств не зависит от пути перехода, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы, т.е. значениями термодинамических параметров в этих двух состояниях.

Если, наблюдая за какой-то определенной системой, установим, что в ней изменяется во времени хотя бы одно из термодинамических свойств, то это значит, что в системе протекает термодинамический процесс.Если при протекании процесса наблюдается изменение химического состава системы, то процесс называют химической реакцией.

Все процессы в природе можно разделить на самопроизвольные (естественные) и несамопроизвольные.

Самопроизвольные - такие процессы, которые не требуют затраты энергии из внешней среды (переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, растворение соли в воде).

Несамопроизвольные процессы требуют для своего протекания затраты энергии (разделение смеси газов на составляющие компоненты).

В результате самопроизвольного процесса в изолированной системе устанавливается равновесное состояние.

Под равновесным состоянием понимают такое состояние системы, которое сохраняется неизменным во времени, и это состояние не поддерживается каким-либо внешним процессом по отношению к системе.

Равновесным термодинамическим процессом называют процесс, который протекает бесконечно медленно и через непрерывный ряд состояний, бесконечно близких к разновесным состояниям.

Процесс, при котором система проходит через неравновесные состояния, называется неравновесным. Неравновесный процесс в изолированной системе будет протекать до тех пор, пока в ней не наступит равновесное состояние.

Система, совершившая равновесный процесс, может вернуться в исходное положение, пройдя в обратном процессе те же равновесные состояния, которые она проходила в прямом процессе. Это свойство равновесного процесса называется его обратимостью.

Поэтому, обратимым называют равновесный процесс, который может возвратиться в первоначальное состояние без каких-либо энергетических изменений в окружающей среде или в самой системе под влиянием бесконечно малой силы.

Если система или окружающая среда не могут возвратиться в первоначальное состояние, т.е. в них останутся изменения, то процесс называют необратимым.

Говорить об обратимых и необратимых процессах можно лишь для изолированных систем. Для неизолированных систем применяют термины «равновесная» и «неравновесная».

Термодинамический процесс вызывает энергетические изменения в системе, которые выражаются через изменение определенных величин: внутренней энергии, энтальпии, теплоты, работы.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

Любая термодинамическая система состоит из атомов и молекул, находящихся в непрерывном движении. Количественной характеристикой движения является энергия.

Внутренняя энергия (U) характеризует общий запас энергии системы. Она включает все виды движения и взаимодействия частиц, составляющих систему: кинетическую энергию молекулярного движения, межмолекулярную энергию притяжения и отталкивания частиц, внутримолекулярную или химическую энергию, энергию электронного возбуждения, внутриядерную и лучистую энергию.

Величина внутренней энергии зависит от природы вещества, его массы и параметров состояния системы.

Определение полного запаса внутренней энергии вещества невозможно, т.к. нельзя перевести систему в состояние, лишенное внутренней энергии. Поэтому в термодинамике рассматривают изменение внутренней энергии (∆U), которое представляет собой разность величин внутренней энергии системы в конечном и начальном состояниях:

∆U = U_koh. – U_нач.

Бесконечно малое изменение внутренней энергии обозначают через du т.к. внутренняя энергия является функцией состояния и ее изменение не зависит от пути процесса, а определяется только начальным и конечным состоянием системы, то du будет полным дифференциалом. Величины ∆U и du считают положительными, если внутренняя энергия при протекании процесса возрастает, а отрицательными если убывает.

ТЕПЛОТА И РАБОТА

Передача энергии от системы к окружающей среде и наоборот осуществляется в виде теплоты (Q) и работы (А).

Форма передачи энергии от одной части системы к другой вследствие неупорядоченного движения молекул, зависящая лишь от температуры частей системы и не связанная с перекосом вещества в системе называется теплотой.

Теплота связана с процессом, а не с состоянием системы, т.е. теплота является функцией состояния она зависит от пути процесса поэтому бесконечно малое количество теплоты обозначается δQ и не является полным дифференциалом. Теплота, подводимая к системе, считается положительной, а отданная ею - отрицательной.

Работа процесса - это энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии, не зависящая от температуры этих тел и не связанная с переносом вещества от одного тела к другому.

Работа, как и теплота, связана с процессом и не является свойством системы, т.е. функцией состояния. Paбoту, совершаемую системой против внешних сил. принято считать положительной, а совершаемую над системой - отрицательной.