13. Основные понятия химической термодинамики: система, классификация термодинамических систем, термодинамические параметры, гомогенные и гетерогенные системы.

Превращения одних видов энергии и работы в другие изучает наука термодинамика.

Химическая термодинамика изучает энергетические эффекты химических процессов; позволяет определить возможность, направление и глубину протекания химического процесса в конкретных условиях

Термодинамика изучает:

1.  Переходы энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой;

2.  Энергетические эффекты, сопровождающие различные физические и химические процессы и зависимость их от условий протекания данных процессов;

3.  Возможность, направление и пределы самопроизвольного протекания процессов в рассматриваемых условиях.

Необходимо отметить, что классическая термодинамика имеет следующие ограничения:

1.  Термодинамика не рассматривает внутреннее строение тел и механизм протекающих в них процессов;

2.  Классическая термодинамика изучает только макроскопические системы;

3.  В термодинамике отсутствует понятие "время".

 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

Термодинамическая система – тело или группа тел, находящихся во взаимодействии, мысленно или реально обособленные от окружающей среды.

Гомогенная система – система, внутри которой нет поверхностей, разделяющих отличающиеся по свойствам части системы (фазы).

Гетерогенная система – система, внутри которой присутствуют поверхности, разделяющие отличающиеся по свойствам части системы.

Фаза – совокупность гомогенных частей гетерогенной системы, одинаковых по физическим и химическим свойствам, отделённая от других частей системы видимыми поверхностями раздела.

Изолированная система – система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Закрытая система – система, которая обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом.

Открытая система – система, которая обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией

Система — это вещество или совокупность веществ, мысленно или реально отграниченных от внешней среды. Пример: колба с реакционной смесью

Разновидности систем:

1. Открытые системы имеют массообмен и теплообмен с окружающей средой

2. Закрытые системы обмениваются энергией, но не обмениваются веществом

3. Изолированная системы - тепло- и массообмена нет.

Термодинамическая система характеризуется определенными параметрами (функциями), количественные описывают их состояние и подразделяются на:

Экстенсивные – зависят от общего количества вещества в системе (масса, объем). Интенсивные – не зависят от общего количества вещества в системе (давление, температура).

Термодинамические процессы – это процессы обмена энергией и веществом или переход энергии из одной формы в другую. Они бывают:

1)Обратимые термодинамические процессы - переход от начального к конечному состоянию, и наоборот, не требует дополнительных затрат энергии. Энергия переходит из одного вида к другому без потерь. Характеризует идеальные процессы.

2)Необратимые термодинамические процессы - переход от конечного состояния к начальному требует дополнительных затрат энергии, так как процессы идут с частичными потерями энергии в виде тепла. Характеризует реальные процессы.

Основная задача термодинамики – однозначное описание изменений в термодинамической системе при её переходе из одного состояния в другое. Различают равновесное и неравновесное состояния термодинамической системы.

Равновесным называется такое состояние системы, когда ее параметры не меняются с течением времени. Интенсивные параметры одинаковы во всех точках системы, т.е. градиенты этих параметров отсутствуют. Параметры системы не меняются с течением времени.

Неравновесным называется такое состояние системы, когда ее параметры меняются с течением времени. Интенсивные параметры различны в разных точках системы, т.е. имеются градиенты этих параметров.

Градиент – изменение параметра в пространстве. Существуют градиенты:

температуры – ΔТ/Δх, концентрации – Δс/Δх, давления – Δр/Δх и т.д.

Связи между параметрами системы называют уравнениями состояния. Изменение любого из параметров приводит к изменению состояния системы. Переход системы от одного состояния к другому происходит в результате различных процессов, которые подчиняются законам термодинамики.

Термодинамические параметры

Параметры состояния, термодинамические параметры — физические величины, характеризующие состояние термодинамической системы: температура, давление, удельный объём, намагниченность, электрическая поляризация и др.

Различают экстенсивные параметры состояния, пропорциональные массе системы:

1)объём, 2)внутренняя энергия, 3)энтропия, 4)энтальпия, 5)энергия Гиббса, 6)энергия Гельмгольца (свободная энергия),

А также интенсивные параметры состояния, не зависящие от массы системы:

1)давление, 2)температура, 3)концентрация, 4)магнитная индукция и др.

Не все параметры состояния независимы, так что равновесное состояние системы можно однозначно определить, установив значения ограниченного числа параметров состояния.

Системы гомогенные и гетерогенные.

Основные параметры системы: объём, давление, температура, концентрация.

Классификация термодинамических процессов.

1. Гомогенные (однофазные) системы – система, состоящая из веществ, находящихся в одной фазе

H₂(г) + Cl₂(г) = 2HCl(г)

2. Гетерогенные (многофазные) системы – система, состоящая из веществ, находящихся в разных фазах и имеющая хотя бы одну поверхность раздела

Fe(к)+2H₂O(г) = H₂(г)+Fe₂O₃(к)

В ходе различных превращений система переходит из одного энергетического состояния в другое. То или иное состояние системы определяется или характеризуются термодинамическими параметрами.

Основными параметрами системы являются: объем, давление, температура и концентрация. В зависимости от постоянства параметров процессы делятся на:

изохорные (V = const), изобарные (p = const), изотермические (T = const), адиабатические (теплота Q=0) политропные, удовлетворяющие уравнению PVⁿ= const.