Тема 3. Элементы химической термодинамики

3.1. Основные понятия термодинамики

Термодинамика – наука о превращениях энергии. Превращения энергии в системе сопровождают все изменения, происходящие в мире, поэтому область применения термодинамики охватывает огромное количество явлений, происходящих и вне и внутри нас. Термодинамика – это скорее метод, который широко используется исследователями в разных областях науки для установления внутренней связи между различными явлениями природы.

Химическая термодинамика – приложение термодинамического метода к химическим процессам.

Для изучения термодинамики необходимо познакомиться с некоторыми новыми понятиями.

Система – совокупность находящихся во взаимодействии веществ или частиц, мысленно или фактически обособленная от окружающей среды. Все, что находится вне системы, называется окружающей средой.

Различают гомогенные и гетерогенные системы.

Гомогенные системы состоят из одной фазы, имеют во всех частях одинаковый состав и одинаковые химические и физические свойства. Например:

воздух – смесь газов (азот, кислород и инертные газы); раствор в сосуде, сплав металлов.

Гетерогенные системы имеют две или более фазы, разделяющиеся между собой физической границей раздела.

Фаза – однородная часть неоднородной системы. Например: вода при 0°С имеет три фазы – лед, жидкость, пар.

Между фазами имеются четко различимые поверхности раздела.

Если в состав системы входят вещества или частицы, способные к химическому взаимодействию, то эти системы являются химическими системами.

Химическая система характеризуется определенными параметрами и существует при определенных условиях.

Параметры системы – совокупность свойств, характеризующих данную систему: давление, объем, температура, масса и др.

Параметры разделяют на внутренние и внешние, экстенсивные и интенсивные.

Внутренние параметры характеризуют внутреннее состояние системы;

внешние параметры – среду, окружающую данную систему. Например: для газа внутренние параметры – температура, внутреннее давление, внешний параметр – объем, зависящий от размера сосуда.

Экстенсивные параметры зависят от массы системы (энергия, вес, теплосодержание).

Интенсивные параметры не зависят от количества вещества в системе (давление, температура, плотность, теплоемкость).

Любое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного из параметров, называется процессом. По характеру протекания различают процессы:

1. Изобарические (р = const).

2. Изохорические (V = const).

3. Изотермические (T = const).

4. Изобарно – изотермические (р = const, T = const).

5. Изохорно – изотермические (р = const, V = const).

6. Адиабатические (отсутствие теплообмена с окружающей средой).

По отношению к внешней среде различают изолированные, закрытые и открытые системы.

Изолированные – системы полностью изолированы от всех внешних влияний. Для них невозможен обмен ни энергией, ни веществом с любой другой системой (например, термос с горячей водой).

Закрытые системы не могут обмениваться с другими системами веществом, но могут отдавать и получать энергию (например, реактор периодического действия с подогревом или охлаждением).

Открытые системы могут обмениваться с другими системами веществом и энергией (например, открытый сосуд с реагирующими веществами, из которого могут непрерывно удаляться продукты реакции, энергия может изменяться в результате нагревания или охлаждения).

Термодинамические свойства системы можно выразить с помощью нескольких функций состояния системы, называемых характеристическими функциями: внутренняя энергия U, энтальпия H, энтропия S, энергия Гиббса G.

Итак, состояние и свойства системы можно характеризовать термодинамическими параметрами и характеристическими функциями.