Лекции семестра №4 Лекция 1

Раздел 1. Химическая термодинамика.

Тема 1.1. Законы термодинамики (исп. Видеофильм и слайд-лекция)

Физическая химия изучает физические явления в химических процессах. Методы изучения физической химии:

- квантово-химический;

- статистический;

- термодинамический (феноменологический).

Если основным объектом физической химии является макросистема (система в целом без учета ее внутреннего строения), то наиболее приемлемым методом для изучения такой системы является термодинамический метод, обеспечивающий феноменологический (формальный) подход к рассмотрению этой системы.

Система – это тело или группа тел, взаимодействующих друг с другом и мысленно ограниченных от окружающей среды. Системы делятся на изолированные, закрытые и открытые. Изолированные системы не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом; закрытые системы обмениваются с окружающей средой только энергией; открытые системы обмениваются с окружающей средой и энергией и веществом.

Различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенные системы состоят только из одной фазы. Гетерогенные – из двух и более фаз, отделенных друг от друга поверхностями раздела.

Фаза – однородная часть системы с присущими только ей свойствами (агрегатное состояние, концентрация, вязкость, плотность и т.д.).

Фазы бывают простыми и смешанными. Простые фазы состоят из одного компонента (например, растворитель - вода), а смешанные – из двух и более компонентов, (например, раствор: вода + соль).

Компонент – химически однородная составная часть системы, которая может быть выделена из системы и существовать вне её.

Поверхность раздела – граничная область между двумя фазами – объект изучения коллоидной химии.

Состояние системы характеризуется параметрами состояния. К ним относятся температура Т К, давление Р кПа, объём V м³, концентрация С моль/л, количество вещества n моль и т.п. Объединив параметры состояния в одно уравнение, получим уравнение состояния системы:

F(Т, Р, V, С, n, …) = 0

Параметры состояния делятся на экстенсивные (или ёмкостные) - параметры, зависящие от количественных характеристик системы и интенсивные – параметры, характеризующие специфическую природу среды. К экстенсивным относятся объём, количество вещества, масса, площадь и т.п.. К интенсивным – температура, давление, концентрация и т.п… Произведение интенсивного параметра на изменение экстенсивного даёт выражение какого-либо вида энергии (например, σds = dG_s – поверхностная энергия dG_s равна произведению поверхностного натяжения σ – интенсивного параметра на изменение единицы площади поверхности ds).

В каждой системе может осуществляться процесс. Процесс – это непрерывное изменение параметров состояния системы в заданных условиях в единицу времени. Таким образом, изменение параметров состояния системы является движущей силой процесса. Процесс будет осуществляться до тех пор, пока не наступит равенство параметров состояния. Например, процесс передачи тепла от нагретой части системы к не нагретой будет осуществляться до тех пор, пока температуры нагретой и не нагретой части системы не сравняются. В таких случаях наступает равновесное состояние системы.

Равновесное состояние системы – это такое состояние, при котором скорости прямого и обратного процессов равны (Т, Р, V и др. параметры состояния остаются неизменными). В химических процессах при равновесии концентрации реагентов и продуктов также равновесны.

Любой процесс инициирует работу. Работа (А) – это форма передачи энергии за счёт преодоления внешних сил сопротивления. Работа совершается в результате некоторого количества теплоты, подведенной к системе. Теплота (Q) – это форма передачи энергии за счет хаотического движения и столкновения молекул соприкасающихся тел. Разность между теплотой и работой даёт приращение внутренней энергии (первый закон термодинамики). Внутренняя энергия – это сумма потенциальной энергии элементарных частиц, из которых состоит система и кинетической энергии их движения.

Процессы делятся на: круговой (например, цикл Карно), обратимый и необратимый.

Круговой процесс (или цикл) – процесс, при котором система выходит из начального состояния, совершает ряд изменений в системе и возвращается в исходное состояние. В круговом процессе изменение всех энергетических характеристик равно нулю (т.е. ΔХ=0; Х – условная энергетическая характеристика).

Обратимый процесс – процесс, при котором система выходит их начального состояния в конечное, совершает работу и возвращается в исходное состояние, не произведя при этом никаких изменений ни в самой системе, ни в окружающей среде. В обратимых процессах совершается максимальная работа, т.к. работа прямого процесса равна работе обратного процесса.

Необратимый процесс – процесс, при котором система выходит из начального состояния в конечное, совершает работу и возвращается в исходное состояние, произведя при этом изменения, как в самой системе, так и в окружающей среде. Обратный процесс при этом совершается под воздействием внешних сил. В таких процессах работа прямого пути много больше работы обратного пути. Отношение А_прям/А_обрат ≤ 1 называется критерием обратимости.

Обратимый и необратимый процессы – самопроизвольные процессы. Подробнее об этом рассмотрим в последующих лекциях.