ФизХимия / ФХ_Т1ПЕЧ
.doc|
|
|
Физическая химия.
Термодинамика. Лекция Т1. «Предмет физической химии».
-
Содержание.
Структура курса, литература, идеология, меню.
-
Введение.
Предмет физической химии, вехи истории, теоретические и экспериментальные методы физической химии.
Ссылки.
-
Жуховицкий А. А., Шварцман Л. А., Физическая химия. Учебник для ВУЗов, М., Металлургия, 1988, 520с ил.
-
Полторак О. М., Термодинамика в физической химии, М., Высшая школа, 1990, 319с ил.
-
Пригожин И., Дефэй Р., Химическая термодинамика, Новосибирск, Наука, 1966, 508 с ил.
-
Киреев В. А. , Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций, М., Химия, 1975, 528с. Ил.
-
Соколовская Е.М., Гузей Л. С. ,Металлохимия, М., изд. МГУ, 1298, 264с. ил.
-
Банальности для начала.
Физическая химия (ФХ) занимается:
применением принципов теоретической физики к химическим проблемам;
применением методов экспериментальной физики к задачам химии.
-
Определение основных понятий.
Система – совокупность элементов, которые по какому-либо признаку могут быть выделены из окружающей среды.
Окружающая среда, граница – способ выделения системы.
|
Рис.1.1. «В мире нет ничего, кроме границ (S) и объемов (V)». Обмен через границы (e), события внутри (i). |
|
Для данной системы в данных условиях имеется определенное число свойств (или переменных), которые необходимо задать, чтобы полностью определить состояние системы. Выбор – произвольный.
|
пример |
Объем (V), масса (m), давление (P),абсолютная температура (T) и т.д. А еще? → механические напряжения (твердое тело), концентрация (однородная смесь), выделение частей (гетерогенные системы), кинетическая энергия частей, форма частей, поверхностная энергия, электрохимия, …. |
-
Простое - сложное.
Закона микромира – основа для описания свойств макроскопических объектов (в принципе …).Сложность системы – новое качество, новые понятия, новые принципы описания.
|
пример |
Идеальный газ – система из N молекул, взаимодействием между которыми можно пренебречь. Расстояния между молекулами значительно больше, чем длина волны Де Бройля (классические траектории), законы движения из классической механики. Идеальный газ – простая система. |
-
Одно из состояний - равновесие.
Система предоставлена «самой себе», все кончилось…
Как предсказать это состояние? Два пути:
(постулаты) + (логика) → (неравенства или дифференциальные уравнения).
(эксперимент) + (конкретная взаимная согласованность) → (трудоемко громоздко в хранении и использовании).
|
пример |
Термодинамический расчет фазовых диаграмм – определение равновесных состояний сплавов: материаловедение. |
Главное – не сам расчет, а определение термодинамических функций.
-
Состояние системы.
Механика считает, что состояние системы задано, если заданы начальные положения и скорости каждой из N частиц, ее составляющей: 6N переменных!
Состояние динамической системы описывается совокупностью физических переменных x1(t), x2(t),…,xn(t), характеризующих поведение системы в будущем, при условии, что известно состояние в исходный момент времени и приложенные к системе воздействия.
Уравнение
состояния
или
.
|
пример |
6N
переменных ↔
(микро) (макро) |
|
Авогадро Амадео |
1776 |
1856 |
Состояние идеального газа Число Авогадро |
|
Аррениус Сванте |
1859 |
1927 |
Скорость химической реакции Энергия активации, закон Аррениуса |
|
Больцман Людвиг |
1844 |
1906 |
Постоянная Больцмана Формула статистической энтропии |
|
Бор Нильс |
1885 |
1962 |
Планетарная модель атома водорода |
|
Вант-Гофф Якоб |
1852 |
1911 |
Теплота химической реакции Кинетика реакции |
|
Гельмгольц Герман |
1821 |
1894 |
Химическая термодинамика |
|
Генри Уильям |
1774 |
1836 |
Теория растворов Закон Генри |
|
Гесс Герман Иванович |
1802 |
1856 |
Термохимия Закон Гесса |
|
Гиббс Джозайя |
1839 |
1903 |
Функции состояния системы Правило фаз Гиббса Понятие химического потенциала и т.д. |
|
Гольдшмидт Виктор |
1888 |
1947 |
Кристаллохимия |
|
Дальтон Джон |
1766 |
1844 |
Теория растворов Смеси газов, закон Дальтона |
|
Дебай Петер |
1884 |
1966 |
Динамика кристаллической решетки Дебаевская температура |
|
Де Донде Теофил |
1873 |
1957 |
Химическая термодинамика |
|
Джоуль Джеймс |
1818 |
1889 |
Теория теплоты Постоянная Джоуля |
|
Дюлонг Пьер |
1785 |
1838 |
Теплоемкость Правило Дюлонга и Пти |
|
Карно Сади |
1796 |
1832 |
Вечный двигатель Цикл Карно |
|
Кирхгоф Густав |
1824 |
1887 |
Химическая термодинамика Законы излучения, электродинамика |
|
Клаузиус Рудольф |
1822 |
1888 |
Химическая термодинамика Энтропия «по Клаузиусу» II - начало термодинамики |
|
Ле Шателье Анри |
1850 |
1936 |
Химическое равновесие Правило Ле Шателье |
|
Ломоносов Михайло Васильевич |
1711 |
1775 |
Определение физической химии |
|
Майер Роберт |
1814 |
1878 |
Закон сохранения энергии |
|
Максвелл Клерк |
1831 |
1878 |
Статистика газов, теплоемкость, электродинамика |
|
Менделеев Дмитрий Иванович |
1834 |
1907 |
Периодический закон Парциальные мольные объемы Уравнение Менделеева - Клапейрона |
|
Нернст Вальтер |
1864 |
1941 |
Химическая термодинамика III - начало термодинамики |
|
Онсагер Ларс |
1903 |
|
Неравновесная термодинамика Уравнение Онсагера |
|
Оствальд Вильгельм |
1853 |
1932 |
Химическая термодинамика Правило Оствальда |
|
Пригожин Илья |
1902 |
|
Неравновесная термодинамика Формула возрастания энтропии |
|
Паскаль Поль |
1880 |
1968 |
Гидродинамика Единица измерения давления |
|
Планк Макс |
1850 |
1947 |
Статистическая теория, излучение Постоянная Планка |
|
Пти Алекс |
1791 |
1820 |
Теплоемкость Правило Дюлонга и Пти |
|
Рауль Франсуа |
1830 |
1901 |
Теория растворов Закон Рауля |
|
Эйнштейн Альберт |
1879 |
1955 |
Теория фотоэффекта, относительности Теплоемкость, статистика |
|
Эйринг Генри |
1907 |
1981 |
Теория скоростей химических реакций |
|
|
|
|
|
Термодинамика химических реакций должна быть по необходимости термодинамикой необратимых явлений. Необратимость предполагает «жить по понятиям»: «время жизни» и «время» вообще.
-
Потребности производства.
Машиностроение, электроника, строительство, экология.
-
Среда пользователя.
Промышленное производство, образование, прикладные исследования
-
Основные потребности пользователей (материаловедение).
-
Изучение фазовых переходов;
-
Изучение свойств растворов;
-
Определение тепловых эффектов химических реакций.
-
Основные задачи пользователей (материаловедение).
-
Поиск эффективных катализаторов;
-
Расчет химических равновесий;
-
Исследование необратимых реакций;
-
Развитие базы данных широкого круга материалов;
-
Проблемы геологии, геохимии, биотехнологии.
-
Проблемы физической химии.
-
Проблема химического равновесия;
-
Проблема скорости химической реакции;
-
Проблема химической связи, т.е. реакционной способности.
|
Определение 1752 Ломоносов М.В. |
Физическая химия – наука, объясняющая на основе положений и опытов физических причину того, что происходит через химические операции в сложных телах. |
Существуют два метода описания состояния больших систем:
Феноменологический (классический) и
Статистический (квантовый).
Теория химических превращений объединяет оба метода: термодинамические параметры реакции не зависят от масштаба ее проведения – от лаборатории до производства.
Термодинамика (ТД).
Главное содержание ТД – превращение механической энергии в теплоту и теплоты – в механическую работу.
|
пример
|
Механика
Ньютона. Энергия как способность
производить работу:
|
и
.
(ТД) – опора на эмпирические законы. Выводы имеют общий характер.
(ТД) – рациональная основа предсказательных расчетов.
(ТД) – специальная область механики. Механика огромного числа частиц.
(ТД) – теория теплоты.
Основа ТД – постулаты:
-
I - начало – принцип сохранения энергии;
-
II – начало – направление изменения энергии;
-
III – начало – начало отсчета внутренней энергии.
Основное понятие ТД – равновесие: состояние называется равновесным, когда оно не меняется со временем, если не меняются граничные условия.
Итак, определение системы сделано:
-
Изолированная система – запрет на обмен с окружающей средой веществом и энергией;
-
Закрытая система – запрет на обмен с окружающей средой веществом;
-
Открытая система – запрет на запреты по обмену с окружающей средой;
Превращения систем:
Через набор равновесных состояний – обратимое;
Через неравновесные (реальные!) состояния – необратимое;
Возвращение к начальному состоянию – циклическое.
|
аналогия |
Механика Ньютона. (работа) = -(изменение энергии) |
Термодинамика. (работа) = -(изменение энергии)+ (теплота) |
Статистическая механика.
Статистическая механика - новый математический аппарат;
Статистическая механика - новый способ мышления.
Главное содержание – понятие среднего (теория вероятностей).
|
определение
|
Случайная величина может принимать различные числовые значения с определенной вероятностью. Дискретная
– имеется в виду вероятность данного
значения величины
|
,
непрерывная
– вероятность «попадания» в интервал
|
аналогия |
Случайная величина |
Случайная ситуация – может осуществляться большим числом способов. |
|
определение
|
Равновесная ситуация (равновесие) – предельно случайная ситуация, состояние, которое не меняется со временем. Случай может разрушить «порядок», но никогда не создаст «порядок». |
Задача статистической механики – способы вычисления среднего.
-
Глоссарий.
Система – совокупность элементов, которые по какому-либо признаку могут быть выделены из окружающей среды.
Окружающая среда, граница – способ выделения системы.
Уравнение
состояния
-
или
.
Мораль Т1.
|
Для |
материаловеда, |
|
который |
прогнозирует оптимальное применение материала в конкретных условиях, |
|
физическая химия |
является основой, |
|
которая |
ограничивает предельные возможности материалов и технологий их обработки и выявляет «скрытые» перспективы применения известных материалов. |
|
В отличие от |
эмпирических рекомендаций и аналогий |
|
физическая химия |
трансформирует законы физики и химии в форму, пригодную для практического использования. |
|
Уместный вопрос |
Возможный ответ |
|
Чем отличаются понятие «система» и «состояние системы»? |
|
|
|
|
|
Какой смысл вкладывается в определение «равновесие»? |
|
|
|
|
|
Чем отличаются понятие «равновесие» и «частичное равновесие»? |
|
|
|
|
-
Приложения.
|
пример
|
Объем воздуха (00С, 105Па) 10 см3 содержит = 2.69∙1020 молекул.
1% этого объема
(∆V)
составляет 0.1см3.
Среднее число молекул в объеме (∆V)
2.69∙1020,
а вне его – 2.66∙1020.
Вероятность отклонения от среднего
значения на 0.01% равна
Выделим
объем ∆V
10-3мкм3,
т.е. 10-15см3.
Та же вероятность равна
|
.
,
что почти достоверно!
|
|
Книга
известного материаловеда «Война и
мир» содержит ~2330 страниц. Если
считать на странице по 45 строк и около
50 знаков (с пробелами) в строке,
окажется ~5.25∙106
знаков. Для набора текста используется
~50 клавиш, вероятность того, что в
данную секунду обезьяна нажимает одну
из них – 1/50. Вероятность случайного
создания бессмертного произведения
|
.
|
Ньютон уже небольшое подразделение: примерно силы тяжести Земли на небольшое яблоко. Yoctonewton является одним из septillionth ньютон (yocto средств 23 нулями после запятой, или 0,000000000000000000000001).Измерения исчезающе малыми силами правило, изготавливаются с крошечные механические осцилляторы, которые вибрируют, как гитарные струны. Новый датчик NIST, описанной в Nature Nanotechnology, * еще более экзотических плоской кристалла около 60 ионов бериллия в ловушке внутри вакуумной камеры электромагнитных полей и охлаждают до 500 миллионных долей градуса выше абсолютного нуля с лазерной ультрафиолетовой области. Аппарат был разработан в течение последних 15 лет для экспериментов, связанных с ионной плазме и квантовых вычислений. В этом случае, он был использован для измерения yoctonewton масштаба войск из приложенного электрического поля. В частности, эксперимент показал, что можно было, приблизительно, 390 yoctonewtons всего одна вторая измерения времени, быстрая скорость работы, что свидетельствует о высокой чувствительности в технике. Чувствительность активов для практических применений. Предыдущий рекорд измерения силы с этим уровнем чувствительности было достигнуто за счет другой физик NIST, который измерял силы тысячу раз больше, или 500 zeptonewtons (0,0000000000000000005 ньютонов) в 1 второго измерения времени с помощью механического осциллятора. Предыдущее исследование NIST указали, что единый ловушке иона чувствовал силы yoctonewton масштабах, но не делать калибровку измерений. Иона датчика описана в Nature Nanotechnology работ по анализу того, как приложенная сила влияет на движение ионов, на основе изменений в лазерный свет, отраженный от ионов. Малых переменного электрического поля, приложенного к кристаллу причин ионов рок и обратно; как скала, ионов, интенсивность отраженного лазерного излучения трясется синхронно с движением ионов. Изменение количества отраженного лазерного излучения из-за силы обнаружить, обеспечивая тем самым определенную индуцированного движения ионов используя принцип похож на один при работе в радара сотрудника полиции. Метод обладает высокой чувствительностью из-за малой массы ионов, сильные реакции заряженных частиц внешних электрических полей, а также способность обнаруживать нанометровый изменения в движение ионов. http://feedproxy.google.com/~r/blogspot/advancednano/~3/0TEe_OW_sMQ/measuring-yoctonewtons-of-force-or.html
|