Термодинамика

ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Термодинамика делится на физическую (общую), техническую и химическую. Физическая ТД изучает закономерности тепловой формы движения материи. Тех-ническая ТД изучает превращения теплоты и механической работы, протекающие в тепловых машинах (двигателях и холодильных установках). Химическая термо-динамика является теоретической основой химии. Она изучает закономерности превращения энергии, возможность и направленность различных процессов, пре-делы протекания самопроизвольных процессов, их энергетический эффект, фазо-вые превращения, химическое равновесие, способность химической системы выполнять полезную работу. Она позволяет уяснить закономерности процесса обмена организма с окружающей средой энергией и веществом, т.е. биоэнергетики и гомеостаза.

Сущность термодинамического метода заключается в обобщении опытных дан-ных в виде трёх законов и их применении для любой системы без учёта детального их строения, т.е. общая термодинамика изучает систему в целом.

Преимущества термодинамического метода: зная законы термодинамики, мож-но определить условия проведения химических реакций, направленность её проте-кания и достижение равновесия, можно выбрать оптимальный режим процесса (температура, давление, подходящий растворитель и др.) без проведения экспери-мента, предсказать максимальную работу, определить состояние равновесия, максимально возможные выходы продукта.

Ограниченность метода: метод применим только к макросистемам, состоящим из большого числа отдельных частиц (им нельзя пользоваться при исследовании отдельных структурных единиц системы); он не рассматривает кинетику процесса,

не может ответить на вопрос, сколько потребуется времени для данного процесса, не дает информацию о механизме его протекания, энергетическом барьере. Хими-ческая термодинамика изучает лишь равновесные (конечные) состояния системы, тогда как кинетика рассматривает промежуточные состояния.

Основные понятия термодинамики

Система – это часть материального мира, которая является предметом наблюде-ния или исследования, т.е. это часть пространства, мысленно выделенная (изоли-рованная) от окружающей среды. Примером системы служит человек, реакцион-ная смесь в химической колбе.

Термодинамическая система – система, между составляющими которой имеет место обмен энергией, веществом и которая описывается термодинамическими параметрами. В зависимости от взаимосвязи с окружающей средой, термодина-мические системы делятся на изолированные, закрытые и открытые.

Изолированная система полностью отделена от своего окружения. У такой сис-темы отсутствует обмен веществом и энергией с окружающей средой. Это идеаль-ная система. Такое понятие нужно для вычисления максимальной теоретической разности между системой и её окружением. Примером изолированной системы является реакционная смесь в сосуде Дьюра, в термостате.

Закрытая система обменивается энергией с окружающей средой, но между ними отсутствует обмен веществом. Примером закрытой системы служит раствор в полностью закрытой колбе, жидкость в отопительной системе, отдельный организм или его части (органы, ткани, клетки).

Открытая система обменивается и массой (веществом), и энергией с окружающей средой. Открытыми являются все биологические системы.

Состояние системы – это совокупность физических и химических свойств системы. Состояние системы характеризуется совокупностью определённых свойств и значениями термодинамических параметров.

По одной классификации термодинамические характеристи делятся на экстенсивные и интенсивные. Экстенсивные параметры зависят от количества вещества. К ним относят объем, массу, количество вещества, энергию системы. Параметры, не зависящие от количества вещества и выравнивающиеся при контакте систем или её частей, называются интенсивными. К ним относят температуру, давление, плотность, концентрацию.

По другой классификации термодинамические характеристики делятся на параметры состояния и функции состояния.

Термодинамические параметры состояния – это характеристики, которые определяют физическое состояние системы (температура, давление, объём, концентрация, плотность и др.). Они поддаются непосредственному измерению.

Термодинамические характеристики, которые не поддаются непосредственному измерению и зависят от термодинамических параметров состояния, называются функциями состояния. К ним относятся внутренняя энергия U, энтальпия H, энтропия S, энергия Гиббса G и энергия Гельмгольца F.

Математические соотношения между этими величинами называют уравнениями состояния, например, уравнение состояния идеального газа pV = nRT.

Изменение состояния системы, сопровождающееся изменением хотя бы одного из параметров состояния, называется термодинамическим процессом. В зависи-мости от изменяющегося параметра (или с позиции постоянства параметров) различают изобарные (Р = const; изменяется объём), изохорные (V = const; изменяется давление) и изотермические (t = const; изменяются давление и(или) объём) термо-динамические процессы. Процессы, протекающие без теплообмена с окружающей средой, называются адиабатическими. Если в ходе процесса изменяется состав системы, то в этом случае говорят о химической реакции. Процессы, протекающие без поступления энергии извне, являются самопроизвольными. Вынужденные (или несамопроизвольные) процессы требуют затраты энергии извне. Самопроизволь-ные процессы в изолированной системе протекают до наступления состояния рав-новесия. Равновесным называется процесс, происходящий через непрерывный ряд состояний равновесия. При этом под равновесным состоянием понимают физичес-кое состояние системы, которое после протекания самопроизвольных процесссов сохраняется длительное время и не обусловлено протеканием какого-либо внеш-него процесса, т.е. параметры состояния системы самопроизвольно не изменяются со временем, в системе отсутствует обмен энергии и вещества (состояние, когда сбалансированы все противоположно направленные на систему воздействия). В реальности система находится в квазистатистическом (приближённо равновес-ном) состоянии. При этом параметры состояния и само состояние изменяются бесконечно медленно. Такое состояние является идеальным.

Различают термодинамически обратимый и необратимый процесссы. Термодинамически необратимый процесс протекает в результате каких-либо воздействий в одном направлении. Для его обращения требуются изменения в системе или в окружающей среде, то есть необходимо совершить работу. Обратимый процесс – это равновесный процесс, который может протекать в обратном направлении без затраты энергии.