4. Термодинамика
наука, изучающая
• превращения (переходы) энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой
•энергетические эффекты, сопровождающие физические и химические процессы
•возможность, направления и предел самопроизвольного протекания процессов.
Химическая термодинамика - термодинамика химических процессов.
Описывает статистически значимые процессы (большое число частиц или случаев)
Основные понятия
4.1 Термодинамическая система
Q>0 |
|
|
|
m |
|
|
|
W<0 |
||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Окружающая |
Термодинамическая |
|
Окружающая |
|||||||||
(внешняя) среда |
|
|
|
система |
|
|
|
среда |
||||
Q<0 |
|
|
|
|
|
|
|
W>0 |
||||
Передача теплоты - Q
Обмен энергией - E
Совершение работы - W
• |
m=0; |
E=0 |
изолированные |
||
• |
m=0; |
E 0 |
закрытые |
||
• |
m 0; E 0 |
|
открытые |
||
Термодинамическая система.
От свойств и состояния её образующих физических.тел:
Гомогенная (однофазная) |
|
Гетерогенная (многофазная) |
фаза 1
фаза 2
граница раздела фаз
Фаза:
совокупность частей системы с одинаковыми физико- химическими свойствами. Отделена от другой фазы
поверхностью раздела(граница раздела фаз)
Состояние системы
Совокупность всех физических и химических свойств системы(состояние системы), определяется основными термодинамическими параметрами (параметрами состояния системы – независимые свойства системы)
термодинамические параметры системы :
P; T; V; ij; Сij; ...
Т/д функции состояния системы (определяют через т/д параметры)
Внутренняя энергия |
U |
|
Энтальпия |
|
H |
Энтропия |
|
S |
Энергия Гиббса |
|
G |
Энергия Гельмгольца A
Термодинамическое равновесие - постулат
параметры–const во времени
(механическое, термическое и химическое равновесия)
Уравнение состояния
(функциональная зависимость параметров
равновесной системы, например, идеального газа)
P V = R T ур.Менделеева-Клапейрона
4.2 Термодинамический процесс
(изменяется хотя бы один из параметров равновесной системы)
Внешнее
воздействие:
E, i
время - t
Состояние
равновесия 1 T1; P1; V1; i1
Термодинамический
процесс
Термодинамический процесс - (переход) из состояния равновесия 1 в 2
Состояние
равновесия 2 время - T2; P2; V2; i2
самопроизвольный
(не требуют внешних затрат энергии) -переход теплоты от нагретого тела к холодному
несамопроизвольный
(вынужденный) – разделение газовой смеси
Термодинамический процесс
(при постоянстве одного из т/д параметра)
изотермический -Т=const изохорический -V=const изобарический -Р= const
Термодин.процесс по характеру перехода из состояний равновесия
равновесный (обратимый); t - время воздействия, τ- время установления равновесия (релаксаци)t τ τ
- бесконечная последовательность отдельных состояний равновесия
неравновесный (необратимый) t
|
Термодинамический процесс |
|
||||
(t-время воздействия на систему, τ-время перехода системы |
||||||
|
|
в новое сост.равновесия) |
|
|
|
|
Равновесный(обратимый)процесс |
Неравновесный(необратимый) процесс |
|||||
t |
|
|
t |
|
|
|
Wравн = W12 |
= W21 |
|
W12 < Wравн |
W21 > Wравн |
||
|
|
|
|
|
||
|
Р |
|
T-const |
|
|
|
|
(1) |
Равновесие(1-2-1) P∙V = ∙R∙T |
||||
|
Р1 |
|||||
|
|
|
dW |
|
dV |
|
|
|
|
|
P dV |
R T |
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
V2 |
|
P2, V2, T |
|
|
|
|
W R T dV |
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
Р2 |
|
(2) |
|
V1 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
V1 |
V |
|
|
|
|
|
V2 |
|
|
|
|
Химическая реакция
а A + b B |
|
с C + d D |
исходные |
|
продукты |
вещества(реагенты) |
реакции |
|
количество исходных веществ уменьшается количество продуктов увеличивается-прямая
реакция
количество продуктов уменьшается количество исходных веществ увеличивается-
обратная реакция
C + D |
A + B |
||
с |
d |
а |
b |
4.3 Первое начало термодинамики
(закон сохранения энергии) - Джеймс Джоуль
Теплота ( Q), сообщенная термодинамической системе, идет на увеличение внутренней энергии ( U) системы и на совершение системой работы( W).
Q |
U |
W |
|
Термодинамическая |
|
|
система |
|
|
T; P; V; Сi |
|
|
Q = |
|
U + |
|
W |
|
|
W |
|
|
|
|
|
Q = dU + |
|
Q = dU + P dV |
|||||
Т/Д функции состояния I. Внутренняя энергия U
|
U- |
- это сумма всех видов энергии ТДС, |
|||||||
за исключением кинетической и потенциальной энергии системы |
|||||||||
в целом. U [кДж]; [кДж моль], [кДж кг] |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
U функция состояния системы |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
беск.мал. изменение –полн. дифф-л |
||||||
|
|
|
(dU) |
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
U |
|||
|
|
|
ΔU |
|
|||||
|
Внутренняя энергия |
|
|
|
|
dU к |
н |
||
в химическом процессе |
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
U-изменение 2-х составл. |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Химическая(Е связей) |
|
|
|
dU 0 для кругового |
||||
|
Тепловая(кинет.Е) |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
процесса |
||||
Величину U характеризует Т. Если Т2 > Т1, то UТ2 >UТ1
Термодинамическая шкала температур Т, К > 0