Термодинамика

Термодинамика – это наука о превращениях различных форм энергии и законах этих превращений. Область термодинамики, изучающая энергетические изменения в химических реакциях, называется химической термодинамикой.

Термодинамика основана на ряде строгих понятий: «система», «внутренняя энергия системы», «состояние системы», «функция состояния системы».

Термодинамическая система – это любой объект, состоящий из достаточно большого числа структурных единиц (н-р, молекул) и отделенный от других объектов природы границей раздела.

Объекты природы, не входящие в систему, называются средой.

Наиболее общими характеристиками систем являются масса вещества m, содержащегося в системе, и внутренняя энергия U системы.

Масса вещества системы определяется совокупностью масс молекул, из которых она состоит.

Внутренняя энергия U системы представляет собой сумму энергий теплового движения молекул и энергии взаимодействия между ними. Абсолютную величину внутренней энергии определить невозможно (в этом нет практической необходимости), так на практике имеет место только изменение энергии при переходе системы из одного состояния к другому. Поэтому можно судить лишь об изменении внутренней энергии системы по количеству энергии, отдаваемой или принимаемой системой от окружающей среды. При этом объем системы должен оставаться неизменным. Обмен энергии может осуществляться передачей теплоты или совершением работы.

Энергия – это мера способности системы совершать работу; общая качественная мера движения и взаимодействия материи. Различают потенциальную энергию, обусловленную положением тела в поле некоторых сил, и кинетическую энергию, обусловленную изменением положения тела в пространстве.

Теплота – это форма передачи энергии путем неупорядоченного движения молекул (частиц).

Работа - это форма передачи энергии путем упорядоченного движения молекул (частиц).

Системы по характеру обмена веществом и энергией с окружающей средой подразделяются на три типа:

а) Изолированная система – это система, которая не обменивается со средой ни веществом, ни энергией (m = 0, U = 0);

б) Закрытая система – это система, которая не обменивается со средой веществом, но может обмениваться энергией (m = 0, U  0);

в) Открытая система – это система, которая может обмениваться со средой как веществом, так и энергией (m  0, U  0).

В зависимости от агрегатного состояния вещества, из которого они состоят, системы подразделяются на два типа:

а) Гомогенная система – это система, в которой отсутствуют резкие изменения ФХС при переходе от одних участков системы к другим. Можно сказать, что система состоит из одной фазы.

Фаза – это совокупность всех одинаковых по составу и структуре участков системы.

б) Гетерогенная система – состоит из двух или более гомогенных частей (фаз), разграниченных поверхностями раздела.

Одним из важнейших понятий является состояние системы. Состояние системы - это 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.

Состояние системы называется стационарным, если свойства системы постоянны во времени, но имеются потоки вещества и энергии.

Состояние системы называется переходным, если свойства системы меняются во времени. Переходное и стационарное состояния являются неравновесными состояниями.

Количественно состояния различают с помощью термодинамических переменных (параметров) системы: давление р, температура Т, объем системы V, общая масса системы m, массы отдельных химических компонентов m_к или их концентрация с_к. Они делятся на 2 группы:

- интенсивные параметры не зависят от количества вещества или массы системы, а при соприкосновении систем имеют тенденцию к выравниванию (н-р, давление р, температура Т, электрический потенциал);

- экстенсивные параметры пропорциональны количеству вещества или массе, которые суммируются (н-р, объем V, масса m, количество электричества).

Переход системы из одного состояния в другое называется процессом.