Экзаменационные ответы (физколлоидная химия)

ВОПРОС № 1

Первое начало (закон) термодинамики – это закон сохранения энергии для тепловых процессов.

Формулировки первого закона термодинамики:

дщЭнергия изолированной системы постоянна.

Если бы энергия изолированной системы увеличивалась без взаимодействия системы с окружающей средой, то существовал бы вечный двигатель первого рода – машина, производящая полезную работу без потребления и затраты энергии. Однако:Вечный двигатель первого рода невозможен.

Постоянство энергии изолированной системы осуществляет переход одного вида энергии в другой, в результате которого энергия не теряется и не создается вновь. Любая машина может совершать работу над внешними телами только при получении извне некоторого количества теплоты или уменьшения её внутренней энергии. Отсюда третья формулировка первого закона, вытекающая из закона сохранения энергии: Энергия не исчезает бесследно и не возникает из ничего, переход ее из одного вида в другой происходит в строго эквивалентных количествах. Из закона сохранения энергии следуют математические выражения первого закона термодинамики: Q = ΔU + W,

Q — количество сообщенной системе теплоты, абсолютное значение коли­чества теплоты ( Дж );

ΔU — прираще­ние внутренней энергии ( Дж );

W — суммарная работа, совершаемая системой, абсолютное значение работы ( Дж ).

Теплота и работа — функции процесса, поэтому они не могут быть выражены в форме ΔQ и ΔW.

Уравнение для бесконечно малых элементарных процессов:

δQ = dU + δW = dU + pdV δW^*,

δW = pdV — работа расширения — элементарная работа, совершаемая термодинамической системой против внешних сил,

δW^* = 0 — работа сжатия (полезная работа) — работа внешних сил, совершаемая над термодинамической системой. Работа внешних сил — мера энергии, переданной телу при механическом взаимодействии его с другими телами. Сумма всех осталь­ных видов элементарных работ (магнитная, электрическая и др.).

Отсюда следует ещё одно выражение:

δQ = d U + pdV .

В неизолированной термодинамической системе количество теплоты, подведенное к системе или отведенное от нее, идет на изменение внутренней энергии и на работу, совершаемую системой или над системой.

Смысл первого закона термоди­намики — внут­ренняя энергия тела, взаимодейству­ющего с другими телами, меняется за счет двух процессов — теплообмена и работы внешних сил. Любое уве­личение внутренней энергии тела сопровождается уменьше­нием энергии взаимодействующих с ним тел. Количество теплоты — мера энергии, переданной от других тел путем теп­лопередачи в результате ударов молекул о границу их раздела.

Математические выражения первого начала (закона) термодинамики для различных процессов: изотермического, изохорного и изобарного.

— процесс расширения

— процесс сжатия

Изотермический процесс – передача теплоты от одного тела к другому при постоянной температуре. Внутренняя энергия 1 моль идеального газа зависит только от температуры.	Изохорный процесс – процесс, протекающий при постоянном объёме.	Изобарный процесс – процесс, протекающий при постоянном давлении.
Если T = const или dT = const (T = 0 или dT = 0), то ΔU = const или dU = const (ΔU = 0 или dU = 0) Следовательно При изотермическом сжатии идеального газа переданное количество теплоты равно работе, совершаемой внешними силами над системой с противоположным знаком (работе сжатия с противоположным знаком). При изотермическом процессе сообщённая системе теплота целиком превращается в работу расширения. При изотермическом расширении идеального газа переданное количество теплоты равно работе, совершаемой системой против внешних сил (работе расширения). QT — изотермическая теплота — функция процесса. Если из уравнения Менделеева-Клапейрона выразить объём и давление, затем подставить эти выражения в следующие уравнения и проинтегрировать, то получим выражения для идеального газа при изотермическом процессе:	Если V = 0 или V = const (dV = 0 или dV = const), то Работа расширения и работа сжатия идеального газа равны нулю, изменение внутренней энергии равно полученному количеству теплоты. QV — изохорическая теплота приобретает свойство функции состояния.	Если р = const или р = 0 (dp = const или dp = 0), то Qp — изобарическая теплота приобретает свойство функции состояния. Изобарное расширение идеального газа – повышение температуры при нагревании идеального газа, совершение работы термодинамической системы, увеличение внутренней энергии. Изобарное сжатие идеального газа – понижение температуры при охлаждении идеального газа, совершение работы внешних сил над термодинамической системой, уменьшение внутренней энергии.