2. Термодинамічні процеси. Внутрішня енергія, ентальпія

Якщо в системі протягом деякого часу змінюється хоча б один з термодинамічних параметрів, то це означає протікання термодинамічного процесу. Якщо при протіканні процесу спостерігається зміна хімічного складу системи, то процес називають хімічною реакцією.

Усі процеси, що зустрічаються в природі, можна розділити на самодовільні (природні) і несамодовільні. Самодовільні процеси – це такі процеси, що не вимагають витрати енергії ззовні (наприклад, перехід теплоти від більш нагрітого тіла до менш нагрітого тіла). Несамодовільними процесами називають процеси, які потребують для свого протікання витрати енергії (наприклад, поділ суміші газів на складові компоненти).

Якщо самодовільний процес відбувається в ізольованій системі, то в підсумку він неодмінно приведе систему до стану рівноваги.

Під рівноважним розуміють такий стан, що не змінюється в часі і не підтримується якими-небудь зовнішніми факторами.

Якщо при протіканні процесу в прямому і зворотному напрямках у навколишнім середовищі або в самій системі відбуваються які-небудь зміни, то процес називають нерівноважним.

Процес, що протікає нескінченно повільно і проходить через нескінченно велике число станів рівноваги, називають рівноважним.

Оборотним називають рівноважний процес, що може повернути систему в початковий стан без яких-небудь енергетичних змін у навколишнім середовищі та в самій системі.

Необоротним називають нерівноважний процес, що відбувається в результаті кінцевих впливів на систему і не змінює напрямку під впливом нескінченно малої сили.

Слід зазначити, що термодинамічна оборотність відрізняється від хімічної оборотності. Хімічна оборотність характеризує напрямок процесу, а термодинамічна – спосіб його проведення. Термодинамічний процес викликає енергетичні зміни в системі, що виражаються через зміну визначених величин: внутрішньої енергії, энтальпії, теплоти, роботи.

Будь-яка термодинамічна система складається з атомів і молекул, що знаходяться в безупинному русі. Кількісною характеристикою руху є енергія.

Внутрішня енергія (U) характеризує загальний запас енергії всіх складових частин системи. Вона є сумою всіх видів енергії, які містяться в даній системі (енергії міжмолекулярної взаємодії, енергії всіх рухів молекул та атомів, енергії всіх елементарних частинок, тощо) за виключенням кінетичної та потенційної енергії всієї систе-ми як цілого.

В термодинаміці розглядають зміну внутрішньої енергії U, що являє собою різницю кількості внутрішньої енергії системи в кінцевому і початковому станах:

U = Uкін – Uпоч. (2.1)

Внутрішня енергія є функцією стану системи.

Термодинамічною функцією стану системи зветься функція, величина якої залежить тільки від стану системи, тобто її зміна в будь-якому процесі залежить лише від початкового та кінцевого стану системи і не залежить від путі процесу.

Внутрішня енергія характеризує повністю лише ізохорні процеси (V=const). В ході ізобарного процесу окрім зміни внутрішньої енергії треба брати до уваги також роботу розширення (або стискання) системи. Для цього існує термодинамічна функція ентальпія.

Н = U + РV (2.2)

Ентальпія, як і внутрішня енергія, є функцією стану системи, її абсолютна величина невідома. Зміна ентальпії не залежить від шляху процесу, а залежить тільки від початкового і кінцевого стану системи.

ΔН = Н2 – Н1 = ΔU – PΔV. (2.3)