1. Основные понятия термодинамики. Интенсивные и экстенсивные параметры. Функция состояния. Внутренняя энергия. Работа и теплота – де формы передачи энергии. Типы термодинамических систем (изолированные, закрытые, открытые). Типы термодинамических процессов (изотермические, изобарные, изохорные). Стандартное состояние.

Термодинамической системой называется любой объект природы, состоящий из достаточно большого числа молекул (структурных единиц) и отделённый от других объектов природы реальной или воображаемой граничной поверхностью (границей раздела). Объекты природы, не входящие в систему, называются средой.

Интенсивными параметрами, или параметрами напряженности, называются такие, которые не зависят от массы или числа частиц системы. К ним относятся температура, давление и химические потенциалы компонентов. Экстенсивные параметры - параметры (объём, внутренняя энергия, энтропия и др.), значения которых пропорционально массе термодинамической системы или её объёму (т. е. значение экстенсивных параметров системы равно сумме его значений для отдельных частей системы).

Функция состояния в термодинамике — функция независимых параметров, определяющих равновесное состояние термодинамической системы; не зависит от пути (характера процесса), следуя которому система пришла в рассматриваемое равновесное состояние (т.е. не зависит от предыстории системы); к функциям состояния относят, в частности, характеристические функции системы:

• внутренняя энергия (Е) - функция состояния, приращение которой равно теплоте Qv, полученной системой в изохорном процессе; ∆E= Q+W

• энтропия (S);

• энтальпия (Н) – функция состояния, приращение которой равно теплоте, полученной системой в изобарном процессе.

Термодинамическая работа и количество теплоты не являются функциями состояния, так как их значение определяется видом процесса, в результате которого система изменила своё состояние.

Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. Существует два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и совершение механической работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении).

Теплопередача — это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность (непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излучение (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты (Q)

Работа (W)- одна из форм обмена энергией (наряду с теплотой) термодинамической системы (физического тела) с окружающими телами; количественная характеристика преобразования энергии в физических процессах, зависит от вида процесса; работа системы положительна, если она отдает энергию, и отрицательна, если получает.

Типы термодинамических систем:

1. Изолированной системой называется такая система, которая не обменивается со средой ни веществом, ни энергией (∆m=0, ∆E=0)

2. Закрытой системой называется такая система, которая не обменивается со средой веществом, но может обмениваться энергией (∆m=0, ∆E≠0)

3. Открытой системой называется такая система, которая может обмениваться со средой как веществом, так и энергией (∆m≠0, ∆e≠0) – пример: живая клетка

Переход системы из одного состояния в другое называется процессом.

Типы термодинамических процессов:

• изобарный, p = const; например нагревание песка, воды или камней под действием солнечных лучей;

• изохорный, V = const, например, скисание молока в стеклянной бутылке;

• изотермический, T = const, например, надувание воздушного шарика;

• адиабатический, когда не происходит ни выделения, ни поглощения тепла, т. е. ΔQ = 0, например нагревание и остывание воздушных масс.

Стандартное состояние - в термохимии, состояние вещества, в котором оно находится при температуре 298,15 К и давлении 101,325 кПа (760 мм ртутного столба)

2. Первое начало термодинамики. Энтальпия. Стандартная энтальпия образования вещества, стандартная энтальпия сгорания вещества. Стандартная энтальпия реакции. Закон Гесса. Применение первого начала термодинамики к биосистемам.

Первое начало термодинамики представляет собой строгую количественную основу для анализа энергетики различных систем. Для его формулировки необходимо ввести следующие понятия:

Под состоянием понимают совокупность свойств системы, позволяющих определить систему с точки зрения термодинамики.

Состояние системы называется равновесным, если все свойства остаются постоянными в течение как угодно большого промежутка времени и в системе отсутствуют потоки вещества и энергии.

Если свойства системы постоянны во времени, но имеются потоки вещества и энергии, состояние называется стационарным.

Если свойства системы меняются со временем, состояние называется переходным.

Изменение внутренней энергии системы ∆Е обусловлено работой W, которая совершается при взаимодействии системы со средой, и передачей теплоты Q между средой и системой. Соотношение между этими величинами составляет содержание 1-ого начала термодинамики:

Приращение внутренней энергии системы ∆Е в некотором процессе равно теплоте Q, полученной системой, плюс работа W, совершенная над системой в этом процессе: ∆E=Q+W (все величины измеряются в Джоулях)

Энтальпия – функция состояния, приращение которой равно теплоте, полученной системой в изобарном процессе (H=E+pV, где р – давление, а V – объём системы). Изменение энтальпии (или тепловой эффект химической реакции) не зависит от пути процесса, определяясь только начальным и конечным состоянием системы. Если система каким-либо путём возвращается в исходное состояние (круговой процесс), то изменение любого её параметра, являющегося функцией состояния, равно нулю, отсюда ΔH = 0

Энтальпией образования соединения А называется изменение энтальпии системы ∆Н_А, сопровождающее образование 1 моль соединения А из простых веществ.

Стандартная энтальпия сгорания — ΔH_гор^о, тепловой эффект реакции сгорания одного моля вещества в кислороде до образования оксидов в высшей степени окисления. Теплота сгорания негорючих веществ принимается равной нулю.

 Энтальпия реакции - это разность между суммой энтальпий образования продуктов реакции и суммой энтальпий образования реагентов с учетом стехиометрических количеств веществ

ΔH = ∑(nΔH)продукты - ∑(nΔH)реагенты

Закон Гесса:

Приращение энтальпии при образовании заданных продуктов из данных реагентов при постоянном давлении не зависит от числа и вида реакций, в результате которых образуются эти продукты.

Следствие из закона Гесса:

Энтальпия реакции равна алгебраической сумме энтальпий образования стехиометрического количества продуктов за вычетом алгебраической суммы энтальпий образования стехиометрического количества реагентов. Для реакции в общем виде n_AA + n_BB = n_CC + n_DD, следствие из закона Гесса запишется следующим образом: ∆H_{реакции} = (n_C ∆H_C + n_D ∆H_D) – (n_A ∆H_A + n_B ∆H_B)

В 19 столетии было доказано экспериментально, что первый закон термодинамики применим к процессам, которые происходят в биологических системах.  Поступление пищи обеспечивает энергию, которая используется для выполнения различных функций организма или сохраняется для последующего использования. Энергия высвобождается из пищевых продуктов в процессе их биологического окисления, которое является многоступенчатым процессом.  Энергия пищевых продуктов используется в клетках первоначально для синтеза макроэргических соединений - например, аденозинтрифосфорной кислоты (ATФ). ATФ, в свою очередь, может использоваться как источник энергии почти для всех процессов в клетке.  Пищевые вещества окисляются вплоть до конечных продуктов, которые выделяются из организма. Например, углеводы окисляются в организме до углекислого газа и воды. Такие же конечные продукты образуются при сжигании углеводов в калориметре:  C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O  Величина энергии, высвобождаемой из каждого грамма глюкозы в этой реакции, составляет 4,1 килокалории (кКал). Столько же энергии, образуется при окислении глюкозы в живых клетках, несмотря на то, что процесс окисления в них является многоступенчатым процессом и происходит в несколько стадий. Этот вывод основан на принципе Гесса, который является следствием первого закона термодинамики: тепловой эффект многоступенчатого химического процесса не зависит от его промежуточных этапов, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы.