2.Основные понятия и величины.

Познакомимся с некоторыми основными понятиями и величинами, исполь­зуемыми в химической термодинамике.

Система - рассматриваемое вещество /тело/ или совокупность находя­щихся между собой во взаимодействии веществ /тел/, которые фактически или мысленно выделяютя из окружающей среды. Таким образом, можно запи­сать такое равенство: Вселенная == Рассматриваемая система + Окружающая среда.

Системы бывают физическими, в которых отсутствует химическое взаи­модействие между компонентами/например, смесь инертных газов в каком-ли­бо сосуде/ и химическими, в которых имеет место химическое взаимодейст­вие между компонентами /например, сосуд, в котором протекает реакция: ^Сб^Н12°б + 6 0₂ == б С0₂ + б Н₂0/.

Фаза - совокупность однородных частей системы, имеющая одинаковый состав во всем объеме, одинаковые физические и химические свойства и отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую некоторые свойства системы изменяются скачкообразно.

В зависимости от числа фаз, составляющих систему, все системы делятся на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенная /однородная/ система - это система, состоящая из одной фазы. Например, некоторый объем кислорода - это гомогенная однокомпонен-тная физическая система; система химической реакции с участием только газообразных веществ 2 СО + О₂ == 2 СО₂ - это гомогенная.трехкомпонентная химическая система. Истинные растворы и системы химических реакций с участием истинных растворов также являются примерами гомогенных систем.

Гетерогенная система - это система, состоящая из двух и более фаз. Примером гетерогенной системы может служить система "твердая соль - насыщенный водный раствор соли - насыщенный водяной пар" или система хими­ческой реакции:2А1/тв./ + б HCI == 2 А1С1₃/р-р/ + 3 Н^/г/.

По характеру взаимодействия с окружающей средой системы делятся на изолированные, закрытые и открытые.

Изолированной называется система, которая не обменивается с окружа­ющей средой ни массой /веществом/, ни энергией.

Закрытая система - это такая система, которая обменивается с окружа­ющей средой энергией, но не обменивается массой.

Открытая система обменивается с окружающей средой и массой и энерги­ей. Важнейшим примером открытых систем являются живые организмы, для ко­торых непрерывный материальный и энергетический обмен с окружающей сре­дой мига представляет собой необходимое условие их существования.

Совокупность ряда экспериментально определяемых физических и химиче­ских свойств системы /например, температура, давление, масса, плотность, объем, концентрация, химический состав фаз, входящих в систему, и др./ определяют состояние системы. Указанные величины, определяющие состояние системы, называются термодинамическими параметрами.

Изменение величины хотя бы одного термодинамического параметра при­водит к изменению состояния системы. Всякое изменение в системе, связан­ное с изменением одного или нескольких параметров, называется термодина­мическим процессом.

На практике мы часто встречаемся с такими термодинамическими процес­сами, в ходе которых один или несколько параметров сохраняют постоянное значение. Наиболее важными из них являются следующие процессы:

а) изотермические прцессы - совершаются при постоянной температуре Т;

б) изобарические процессы - совершаются при постоянном давлении Р;

в) изохорические процессы - совершаются при постоянном объеме V;

г) изобарно-изотермические процессы - совершаются в условиях постоянства и давления, и температуры;

д) изохорно-изотермические процессы - совершаются в условиях постоянства и объема, и температуры.

Химические реакции часто протекают при атмосферном давлении и при —^ комнатной температуре, т.е. в изобарно-изотермическом режиме. Этот режим вообще имеет место в том случае, когда взаимодействие между веществами осуществляется в открытых сосудах без нагревания или охлаждения реакци­онной смеси в ходе реакции за счет внешнего источника. Изобарно-изотермические условия характерны и для реакций в живых организмах.

Если химические реакции протекают в закрытых сосудах при постоянной температуре, то имеет место изохорно-изотермический режим.

Любая система характеризуется также рядом величин, которые не могут быть экспериментально определены, но которые непосредственно зависят от

состояния (и только от состояния!) системы и поэтому называются функци­ями состояния. Важнейшими функциями состояния являются внутренняя энер­гия U, энтальпия H , энтропия S, энергия Гиббса G • Изменение любой функции состояния* X в каком-нибудь процессе /4Х/ зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути пере­хода, т.е. ^X=Xg-Xj, где Xj - значение данной функции состояния в начале процесса и Х£ - значение ее в конце процесса.

В курсе физики вы уже встречались с понятием "внутренняя энергия си­стемы". Вспомним, что характеризует эта функция состояния системы.

/U другими функциями состояния мы будем знакомиться в ходе последу­ющего изложения темы/.

Внутренняя энергия характеризует общий запас энергии системы, вклю­чающий энергию поступательного и вращательного движения молекул, энер­гию внутримолекулярного колебательного движения атомов и атомных групп, составляющих молекулы, энергию движения электронов в атомах, энергию, заключающуюся в ядрах атомов, энергии связей атомов в молекулах и дру­гие виды энергии, кроме кинетической энергии тела в целом и его потен­циальной энергии положения в поле тяготения. В настоящее время еще нет способов определения абсолютной величины внутренней энергии какой-либо системы, но имеется возможность определить изменение внутренней энергии A U. , происходящее в том или ином процессе при переходе системы из од­ного состояния /с энергией tl_f/ ъ другое состояние /с энергией tiz /•

ли = г/₂ - Ui

Оказывается достаточным знать AU для успешного применения данной фун­кции состояния в термодинамике.

Внутренняя энергия зависит, очевидно, как от вида и количества рас­сматриваемого вещества, так и от условий его существования.

Если говорить о химических реакциях, то суммарная внутренняя энер­гия продуктов реакции в общем случае отличается от суммарной внутренней энергии исходных веществ, т.к. в процессе реакции происходит перестрой­ка электронных оболочек атомов взаимодействующих молекул.

Энергия может передаваться от одной системы к другой или от одной части системы к другой ее части в форме теплоты иди в форме работы.

Теплота - форма передачи энергии путем хаотического, неупорядочен­ного движения частиц. /Обозначается буквой (2 /.

Работа - форма передачи энергии путем упорядоченного перемещения частиц под действием каких-либо сил. /Обозначается буквой А /.

Ни GL , ни А в общем случае не являются функциями состояния,т.е.ко-личество теплоты,выделяемой или поглощаемой системой,и количество рабо­ты, совершаемой системой или над системой,зависит не только от начального иб.

конечного состояния системы, но и от того, как происходил переход от од­ного состояния к другому.