Термодинамика и термохимия Основы термодинамики

Термодинамика изучает процессы взаимного превращения разных видов энергии. Она базируется только на экспериментально обнаруженных объективных закономерностях, выраженных в двух основных началах термодинамики.

Основные понятия и определения

Химическая термодинамика рассматривает не отдельные частицы, а их совокупность – системы.

Термодинамической системой называется тело или совокупность тел, находящихся во взаимодействии и условно обособленных от окружающей среды. Всё, что не входит в систему, называетсявнешней средой.

Согласно трём статистическим ансамблям Гиббса различают три типа термодинамических систем:

• Открытыми называют системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом и энергией (макроканоническое распределение Гиббса). Примером могут служить живые объекты.

• Закрытыми считаются системы, обменивающиеся с окружающей средой энергией, но не веществом (каноническое распределение Гиббса). Например, газ, находящийся в баллоне.

• Изолированными являются системы, не обменивающиеся с окружающей средой ни энергией, ни веществом (микроканоническое распределение Гиббса). Примером может быть запаянная ампула, полностью изолированная от внешней среды.

Фазой называется совокупность всех однородных частей системы, обладающих одинаковыми свойствами и отделённых от остальных частей системы поверхностью раздела. Все термодинамические системы можно разделить на две большие группы - гомогенные и гетерогенные.Гомогенными (однофазными) называют системы, состоящие только из одной фазы, например, воздух – смесь газов. Системы, содержащие две или более число фаз, называютсягетерогенными(неоднородными, разнофазными). Например, не растворившиеся в воде кристаллы поваренной соли образуют гетерогенную систему из двух фаз. В гетерогенной системе составные её части – фазы – разделены поверхностью раздела.

Совокупность всех физических и химических свойств системы характеризует её состояние.

Физические величины, позволяющие определять состояние системы, называются параметрами состояния.К ним относят переменные величины, которые непосредственно могут быть заданы и измерены: температура Т, объёмV, давление Р. Уравнение, описывающее взаимосвязь параметров состояния, называется уравнением состояния. Например, для идеального газа применимо уравнение состояния Менделеева-Клапейрона:

pV= νRT,

где ν – количество газа, R– универсальная газовая постоянная.

К термодинамическим функциямотносят переменные величины, зависящие от параметров состояния, которые не могут быть непосредственно измерены. Их подразделяют на функции процесса: теплота Q и механическая работа А, ифункции состояния(илихарактеристические функции): внутренняя энергияU, энтальпия Н, энтропияS, изобарно-изотермический потенциал (свободная энергия Гиббса)Gи изохорно-изотермический потенциал (свободная энергия Гельгольца)F. Функции состояния являются количественной мерой изменения свойств в термодинамике. К особенностям характеристических функций относится их независимость от способа (пути) достижения данного состояния системы. Их значение определяется состоянием системы, т.е. параметрами системы (давлением, температурой и др.). К особенностям характеристических функций также относится зависимость их величин от количества или массы вещества, поэтому принято относить их к одному молю вещества.

Если при отсутствии каких-либо внешних воздействий на систему термодинамические параметры с течением времени не изменяются, то такое её состояние называется равновесным.Состояние системы называетсянеравновесным, если её параметры изменяются при отсутствии внешнего воздействия.

При изменении хотя бы одного из параметров системы равновесие нарушается и начинается изменение состояния системы, т.е. протекает какой-либо процесс. Термодинамическим процессом называется всякое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного термодинамического параметра.

Термодинамика базируется на двух фундаментальных законах (началах), являющихся всеобщими законами природы. Они не могут быть выведены, но и не могут быть отвергнуты, поэтому рассматриваются как постулаты.