Химия и основы экологии

Химия и химические технологии играют важнейшую роль для авиационной и космической промышленности как при разработке и проектировании летательных аппаратов, так и при строительстве их. Вероятно, никакая другая отрасль промышленности не имеет столь специальных требований к материалам, как авиационная и космическая.

Наиболее важные области авиационной промышленности, где химическая технология и химия, как наука, имеет огромное значение:

- использование конструкционных материалов, которые включают широчайший спектр химических веществ: металлы и их сплавы (прежде всего Тi, Аl). Например, военная авиация до сих пор использует 25-40% титана и его сплавов. Последние десятилетия, лидирующие компании больше и больше используют так называемые композитные материала. Композитный материал – это сочетание (комбинирование) нескольких компонентов с целью получения нового материала, который бы обладал заданными свойствами, например, сверхвысокой прочностью, жаропрочностью, специальными магнитными, диэлектрическими свойствами или (и) радиопоглощающими свойствами. Использование композитных материалов дает снижение веса конструкций с одновременным увеличением прочности. Например, такие ведущие корпорации как Airbus, Boeing, Bombardier уже широко используют углеродное волокно (фиброкарбон) для строительства гражданских самолетов.

- использование топлива, которое в своей основе представляет собой смесь углеводородов, в результате реакции горения которых выделяется необходимая энергия. Ясно, что необходимо знать все химические процессы, законы, свойства веществ, которые используются для разработки эффективного топлива с нужными свойствами, такими как детонационные характеристики, фракционный состав, химическая стабильность и.т.д.

- применение химических процессов для обработки материалов, таких как гальваническое покрытие, анодное оксидирование (которое позволяет получать прочные оксидные пленки на поверхности металлов - обычно на Al, Ta, Ti, Nb), гальванопластика, химическое фрезерование (травление). С другой стороны, при использовании летательных аппаратов, приходится сталкиваться с таким нежелательным процессом, как коррозия металлов и сплавов на их основе. Понятно, что необходимо знать законы, химические и электрохимические процессы, которые при этом происходят, чтобы уметь предотвращать коррозию, контролировать ее и защищать материалы от коррозии.

- экологический аспект технологических химических процессов, важность которого возрастает из года в год. В результате технологических процессов строительства летательных аппаратов, их использования, остатки токсичных веществ попадают в окружающую среду. Очевидно, что без знания химических процессов, лежащих в основе производства, без знания свойств элементов и веществ, которые используются, законов превращений этих веществ, невозможно уменьшить и, если возможно, предотвратить попадания губительных для природы и человека технологических отходов, или уменьшить их вред каким-либо образом.

Tермодинамика

Термодинамика это наука, которая изучает:

- переходы энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой;

- энергетические эффекты, сопровождающие различные физические и химические процессы, зависимость их от условий протекания процессов;

- возможность, направление и пределы самопроизвольного (то есть без затраты работы извне) течения самих процессов в рассматриваемых условиях

Основные понятие и определения

Системой называют тело или группу тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от окружающей среды.

Изолированной системой называют такую систему, которая рассматривается как лишенная возможности обмена веществом или энергией с окружающей средой и имеющая постоянный объем (в том смысле, что она имеет некоторые условные границы, которые ее отделяют от окружающей среды).

Открытая система - может обмениваться и веществом и энергией с окружающей

средой, закрытая система- может обмениваться только энергией с окружающей

средой.

Параметры это численные значения, которые определяют состояние системы. Различают интенсивные параметры (P, T) значение которых не зависит от массы вещества, и экстенсивные параметры (V, N, U) значение которых зависит от массы вещества.

Процесс - это любое изменение состояния системы в течение которого изменяются ее параметры. Процесс, который сопровождается выделением тепла называется экзотермическим, процесс, в результате которого поглощается теплота называется эндотермическим.

Процессы, происходящие при постоянном объеме,называются изохорными,при постоянной температуре - изотермическими, при постоянном давлении - изобарными. Если система не принимает и не отдает теплоты в окружающую среду, но может быть связана с окружающей средой работой, совершаемой системой или работой, совершаемой над системой, то такие процессы называются адиабатными.

Термодинамические функции, значение которых зависит только от состояния системы, называются функциями состояния (U, H, S, G, F). Их изменение в каком-либо процессе зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути перехода.

Например, изменение внутренней энергии:

DU=U₁ – U₂

где U₁ - внутренняя энергия системы в начальном состоянии, U₂ - внутренняя энергия системы в конечном состоянии.

Термодинамически внутренняя энергия системы строго определяется 1-м законом термодинамики. Физически - внутренняя энергия системы - это общая энергия, которая есть у системы, включая энергию поступательного и вращательного движения молекул, энергию внутримолекулярного колебания атомов и атомных групп в молекулах, движение электронов в атомах, энергию атомного ядра и другие формы энергии. Она не включает кинетическую энергию движения системы как целого и потенциальную энергию, которая система имеет благодаря своему положению.