ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕРМОХИМИЯ

Основы термодинамики

Термодинамика изучает процессы взаимного превращения разных видов энергии. Она базируется только на экспериментально обнаруженных объективных закономерностях, выраженных в двух основных началах термодинамики.

Основные понятия и определения

Химическая термодинамика рассматривает не отдельные частицы, а их совокупность – системы.

Термодинамической системой называется тело или совокупность тел, находящихся во взаимодействии и условно обособленных от окружающей среды. Всё, что не входит в систему, называется внешней средой.

Согласно трём статистическим ансамблям Гиббса различают три типа термодинамических систем:

· Открытыми называют системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом и энергией (макроканоническое распределение Гиббса). Примером могут служить живые объекты.

· Закрытыми считаются системы, обменивающиеся с окружающей средой энергией, но не веществом (каноническое распределение Гиббса). Например, газ, находящийся в баллоне.

· Изолированными являются системы, не обменивающиеся с окружающей средой ни энергией, ни веществом (микроканоническое распределение Гиббса). Примером может быть запаянная ампула, полностью изолированная от внешней среды.

Фазой называется совокупность всех однородных частей системы, обладающих одинаковыми свойствами и отделённых от остальных частей системы поверхностью раздела. Все термодинамические системы можно разделить на две большие группы - гомогенные и гетерогенные. Гомогенными (однофазными) называют системы, состоящие только из одной фазы, например, воздух – смесь газов. Системы, содержащие две или более число фаз, называются гетерогенными (неоднородными, разнофазными). Например, не растворившиеся в воде кристаллы поваренной соли образуют гетерогенную систему из двух фаз. В гетерогенной системе составные её части – фазы – разделены поверхностью раздела.

Совокупность всех физических и химических свойств системы характеризует её состояние.

Физические величины, позволяющие определять состояние системы, называются параметрами состояния. К ним относят переменные величины, которые непосредственно могут быть заданы и измерены: температура Т, объём V, давление Р. Уравнение, описывающее взаимосвязь параметров состояния, называется уравнением состояния. Например, для идеального газа применимо уравнение состояния Менделеева-Клапейрона:

pV = νRT,

где ν – количество газа, R – универсальная газовая постоянная.

К термодинамическим функциям относят переменные величины, зависящие от параметров состояния, которые не могут быть непосредственно измерены. Их подразделяют на функции процесса: теплота Q и механическая работа А, и функции состояния(или характеристические функции): внутренняя энергия U, энтальпия Н, энтропия S, изобарно-изотермический потенциал (свободная энергия Гиббса) G и изохорно-изотермический потенциал (свободная энергия Гельгольца) F. Функции состояния являются количественной мерой изменения свойств в термодинамике. К особенностям характеристических функций относится их независимость от способа (пути) достижения данного состояния системы. Их значение определяется состоянием системы, т.е. параметрами системы (давлением, температурой и др.). К особенностям характеристических функций также относится зависимость их величин от количества или массы вещества, поэтому принято относить их к одному молю вещества.

Если при отсутствии каких-либо внешних воздействий на систему термодинамические параметры с течением времени не изменяются, то такое её состояние называется равновесным. Состояние системы называется неравновесным, если её параметры изменяются при отсутствии внешнего воздействия.

При изменении хотя бы одного из параметров системы равновесие нарушается и начинается изменение состояния системы, т.е. протекает какой-либо процесс. Термодинамическим процессом называется всякое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного термодинамического параметра.

Термодинамика базируется на двух фундаментальных законах (началах), являющихся всеобщими законами природы. Они не могут быть выведены, но и не могут быть отвергнуты, поэтому рассматриваются как постулаты.