Химическая термодинамика. Основные понятия
Термодинамика изучает законы взаимных превращений различных видов энергии, состояния равновесия и их зависимость от различных факторов, возможность, направление и предел протекания самопроизвольных процессов.
Система - любая физически или мысленно выделенная часть окружающей среды.Все, что находится вне системы, называется внешней средой. По способности обмена с внешней средой системы делятся на:
Изолированные - не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни веществом.
Закрытые - обмениваются с внешней средой энергией, но не веществом.
Открытые - обмениваются с внешней средой и энергией, и веществом.
По внутреннему строению системы делятся на:
Гомогенные - между отдельными частями системы нет поверхностей раздела
Гетерогенные - состоят из различных по свойствам частей, разграниченныхповерхностями раздела.
Фаза - совокупность одинаковых гомогенных частей гетерогенной системы, ограниченныхповерхностями раздела. Сама поверхность раздела называется поверхность раздела фаз. Внутри фазы свойства меняются непрерывно, на поверхности раздела фаз - скачком. Гомогенные системы являются однофазными,гетерогенные - многофазными.
Компонент системы - химически чистое вещество, входящее в состав системы. Однокомпонентные системы могут быть гетерогенными, например система вода-лед-водяной пар. Многокомпонентные системы могут бытьгомогенными, например воздух. В гетерогенных системах фазы могут иметь одно и то же агрегатное состояние,например система вода-бензол.
Состояние системы характеризуется набором параметров состояния.
Параметр состояния - любая измеримая величина, например давление, масса, температура, количествовещества, объем и т.д. Параметр состояния не зависит от способа достижения состояния, т.е., например измеренное давлениегаза не зависит от того, находился ли ранее этот газ в разреженном или сжатом виде, измеренная температура не зависит оттого, достигнута ли она нагреванием или охлаждением. Изменение любого, хотя бы одного параметра состоянияприводит к изменению состояния системы.
Различают экстенсивные параметры состояния, пропорциональные количеству вещества, например масса, обьем, количество вещества,и интенсивные - не зависящие от количества вещества, например, температура, давление, плотность. Экстенсивные параметры суммируются, интенсивные - усредняются.
Функция состояния характеризует состояние системы и не зависит от способа достиженияэтого состояния. Функции состояния зависят от параметров состояния системы.
Термодинамическим процессом (или просто процессом) называется всякое изменение состояния системы, сопровождающееся изменением хотя бы одного параметра состояния.
Процессы классифицируются по признаку выделения или поглощения тепла на:
Экзотермический - тепло выделяется сисиемой во внешнюю среду.
Эндотермический - система тепло поглощает.
По признаку постоянства какого-либо параметра состояния на:
Изотермический - температура остается постоянной.
Изобарный - при постоянном давлении.
Изохорный - без изменения объема.
Адиабатный - нет теплообмена с внешней средой.
По возможности протекания на:
Самопроизвольные - могут протекать самостоятельно и приводить к выделению энергии в виде теплотыили работы.
Вынужденные - требуют внешнего воздействия и поступления в данную систему энергии из внешней среды.
В термодинамике широко пользуются понятиями равновесного, обратимого и кругового процессов.
Равновесным называется процесс, проходищий через непрерывный ряд состояний равновесия. Приэтом под равновесным состоянием понимают такое состояние, которое система принимает после окончания всех самопроизвольных процессов. Равновесное состояние длительно сохраняется во времени и не обусловлено протеканиемкаких-либо внешних процессов.
Обратимый - процесс, который может быть проведен в обратном направлении так,что в системе и внешней среде не останется никаких изменений.
Часто понятия равновесного и обратимого процессов считают совпадающими.
Круговой процесс - процесс, в котором начальное и конечное состояние системы совпадают. Вкруговом процессе любой параметр состояния принимает первоначальное значение, а изменение любого параметра состояния равно нулю. Изменение параметра а в процессе можно представить как сумму егомалых изменений на отдельных участках и записать в виде:
и, т.к. начальное и конечное состояния совпадают, то:
В математике о функциях, изменение которых не зависит от формы пути, говорят, чтоони имеют полный дифференциал, поэтому da - полный дифференциал. Для параметра состояния и функциисостояния системы полный дифференциал в круговом процессе равен нулю.