Tермодинамика

Термодинамика это наука, которая изучает:

• переходы энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой;

• энергетические эффекты, сопровождающие различные физические и химические процессы, зависимость их от условий протекания процессов;

• возможность, направление и пределы самопроизвольного (то есть без затраты работы извне) течения самих процессов в рассматриваемых условиях

Основные понятие и определения

Системой называют тело или группу тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от окружающей среды.

Изолированной системой называют такую систему, которая рассматривается как лишенная возможности обмена веществом или энергией с окружающей средой и имеющая постоянный объем (в том смысле, что она имеет некоторые условные границы, которые ее отделяют от окружающей среды).

Открытая система - может обмениваться и веществом и энергией с окружающей

средой, закрытая система- может обмениваться только энергией с окружающей

средой.

Параметры это численные значения, которые определяют состояние системы. Различают интенсивные параметры (P, T) значение которых не зависит от массы вещества, и экстенсивные параметры (V, N, U) значение которых зависит от массы вещества.

Процесс - это любое изменение состояния системы в течение которого изменяются ее параметры. Процесс, который сопровождается выделением тепла называется экзотермическим, процесс, в результате которого поглощается теплота называется эндотермическим.

Процессы, происходящие при постоянном объеме, называются изохорными, при постоянной температуре - изотермическими, при постоянном давлении - изобарными. Если система не принимает и не отдает теплоты в окружающую среду, но может быть связана с окружающей средой работой, совершаемой системой или работой, совершаемой над системой, то такие процессы называются адиабатными.

Термодинамические функции, значение которых зависит только от состояния системы, называются функциями состояния (U, H, S, G, F). Их изменение в каком-либо процессе зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути перехода.

Например, изменение внутренней энергии:

U=U₁ – U₂

где U₁ - внутренняя энергия системы в начальном состоянии, U₂ - внутренняя энергия системы в конечном состоянии.

Термодинамически внутренняя энергия системы строго определяется 1-м законом термодинамики. Физически - внутренняя энергия системы - это общая энергия, которая есть у системы, включая энергию поступательного и вращательного движения молекул, энергию внутримолекулярного колебания атомов и атомных групп в молекулах, движение электронов в атомах, энергию атомного ядра и другие формы энергии. Она не включает кинетическую энергию движения системы как целого и потенциальную энергию, которая система имеет благодаря своему положению.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики очень тесно связан с законами сохранения и превращения энергии.

Огромную роль в формулировании этого закона сыграли Г.Гесс (1936), И.Maйер (1842), Д.Джоуль (1847), Г.Гельмгольц (1847).

Существует несколько формулировок 1-го закона термодинамики.

Например,

-В любой изолированной системе запас энергии остается постоянным.

-Невозможно создание вечного двигателя первого рода.

Для изучения термодинамики очень важнa следующая формулировка:

В любом процессе приращение внутренней энергии какой-либо системы U=U₁ – U₂ равно количеству теплоты Q, сообщенному системе минус количество A работы совершенной системой

U=Q – A

Для процессов, связанных с бесконечно малыми изменениями выражение 1-го закона термодинамики будет иметь вид: dU = Q -A

dU – полный дифференциал внутренней энергии, Q и A бесконечно малые количества теплоты и работы.

С помощью предыдущего уравнения можно дать определение внутренней энергии термодинамически, как величины, возрастание которой в течение процесса равно теплу принятого системой плюс работа, совершенная внешними силами над системой:

Если мы рассматриваем газообразные системы, то большинство процессов работа, совершаемая системой, – это работа против внешнего давления. В таком случае для изотермических процессов:

A = PdV и A=PV

И можно преобразовать формулу:

dU = Q –PdV и U=Q –PV, гдe P -давление, V -объем системы.

Таким образом,

- для адиабатных процессов (Q = 0) U=А (система совершает работу за счет внутренней энергии;

-для изохорных процессов (V = const) Q=dU и Q_V=U (передача тепла системе идет на изменение внутренней энергии системы)

- для изобарных процессов (P = const) Q_P =U + PV=U₂-U₁ +P(V₂-V₁) = (U₂+PV₂)-(U₁-PV₁)=H₂-H₁=H. Q_P =H

гдe Q_P - тепловой эффект процесса при P=const,

Q_V тепловой эффект процесса при V=const.

Введем новое понятие : H это энтальпия – широко используемая термодинамическая функция, которая определяется следующем уравнением: H=U+PV. Энтальпия, как и внутренняя энергия, является функцией состояния.

В термодинамике положительное значение Q означает, что тепло поглощается системой, и отрицательное – когда выделяется.

Для процессов при постоянной температуре:

Q_P - Q_V = H - U = (и потом подставим значение H)= PV

Для идеальных газов PV=nRT (уравнение Менделеева-Клапейрона),

где n – число молей газа, R – универсальная газовая постоянная, T- абсолютная температура.

Таким образом, если в результате реакции n₁ молей газа использовались, и n₂ молей газообразных продуктов образовалось, тогда (PV) = nRT и H=U + nRT.