Основные понятия термодинамики

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

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 химической 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. 4.1), человека и т. п.

Рис. 4.1. 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. 4.2).

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.

Рис. 4.2. Примеры термодинамических систем: изолированной (а), закрытой (б) и открытой (в).

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, колебательного и вращательного движений, энергией электромагнитного, гравитационного и других силовых взаимодействий. Во внутреннюю энергию не включаются кинетическая и потенциальная энергии, характеризующие всю систему 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 определить ее изменение (ДЯ) при переходе системы из начального состояния (1) в конечное (2):

Энтальпия системы (Я, Дж) определяется соотношением.

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

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