2. Второй закон термодинамики

Студент должен:

иметь представление о:

• принципе работы тепловой машины;

• термодинамических процессах в Т – S координатах.

Знать:

• термодинамическую обратимость и необратимость процесса;

• принцип минимума свободной энергии;

• второй закон термодинамики;

• характеристику цикла Карно, КПД этого цикла;

• энтропию, причины, следствия ее изменения и практическое значение в тепловых процессах;

• критерии самопроизвольных процессов и их расчет в различных термодинамических процессах;

• физический смысл энергии Гиббса, Гельмгольца.

Уметь:

• рассчитывать изменение энтропии при изменении параметров (V, Р, t ) газа и при переходе веществ из одного агрегатного состояния в другое;

• вычислять изменение энтропии любой реакции, используя нормативно – справочную литературу;

• рассчитывать изменения термодинамических потенциалов в химических процессах и делать выводы о возможности протекания процесса.

Недостаточность первого закона термодинамики. Качественная неэквива­лентность теплоты и работы. Основные группы процессов. Обратимые и необ­ратимые процессы. Условия термодинамической обратимости.

Содержание и формулировки второго закона термодинамики, его физи­ческая сущность. Факторы интенсивности и экстенсивности.

Основной термодинамический цикл - цикл Карно, его КПД.

Энтропия: физический смысл, значение, характеристика. Энтропия как фактор экстенсивности тепловых процессов. Энтропийный член уравнения как мера связанной энергии системы.

Свободная энергия системы. Изобарно-изотермический и изохорно-изотермический потенциалы (энергии Гиббса и Гельмгольца).

Приложение второго закона термодинамики к химическим процессам. Принцип минимума свободной энергии. Пределы протекания самопроизволь­ных процессов в изолированных системах.

Методические указания

При изучении этой темы необходимо обратить внимание на то, что второй закон термодинамики устанавливает, возможен или невозможен при данных условиях тот или иной процесс. До какого предела он может протекать и какая наибольшая полезная работа совершается при этом.

Обратите внимание, что на основании второго закона термодинамики

U = F + TS ,

где F – свободная энергия системы, т.е. часть внутренней энергии, которая способна преобразовываться в полезную работу при постоянной температуре; TS – связанная энергия, часть внутренней энергии не способной превращаться в работу.

Рост функции S свидетельствует об уменьшении «работоспособности» системы.

Обратите внимание, что применительно к химическим процессам второй закон термодинамики можно сформулировать: всякое химическое взаимодействие, при неизменных давлении или объеме и постоянстве температуры, протекает в направлении уменьшения свободной энергии системы.

Необходимо уяснить, что пределом протекания химических реакций (т.е. условием равновесия) является достижение некоторого минимального для данных условий значения свободной энергии системы G или F.

Значения термодинамических функций при стандартных условиях t=25⁰C и Р = =101325 Па приводятся в справочных таблицах .

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется внутренней энергией? От чего она зависит?

2. Что называется тепловым эффектом реакции?

3. Что такое необратимые и обратимые процессы?

4. Что такое «связанная» и «свободная» энергия?

5. Закон Кирхгофа.

Литература: [1], с.82-99; [2], с.100-107; [3], с.68-77; [4], с.59-66