1.1 Основные понятия химической термодинамики

ЭНЕРГИЯ – способность совершать работу (кДж, ккал)

1 ккал = 4,184 кДж

Виды энергии

• Потенциальная - энергия взаимодействия

• Кинетическая - энергия движения

По видам совершаемых работ различают:

• Химическую,

• Электрическую,

• Световую,

По видам совершаемых работ различают:

• Механическую,

• Звуковую,

• Поверхностную,

В классической механике Работа (А) определяется как произведение силы на длину пути:

В термодинамике работа имеет более широкое значение

В термодинамике различают:

• работу расширения газа = р ΔV (ΔV – изменение объема)

• полезную работу А΄

Важнейшими видами полезной работы в организме являются:

1) механическая работа – выполняется при сокращении мышц;

2) осмотическая работа почек и цитоплазматических мембран по переносу веществ против градиента концентраций

3) электрическая работа нервной ткани и мозга по переносу заряженных частиц.

ТЕПЛОТА (Q) – перенос энергии между двумя телами, имеющими разные температуры.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА – это тело или группа тел, отделенных от окружающей среды термодинамической оболочкой, которая может быть реальной физической или абстрактной математической.

Классификация систем

ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ, обменивающиеся с окружающей средой и веществом, и энергией (живая клетка, человек и др. биосистемы);

ЗАКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ, обменивающиеся с окружающей средой только энергией, обмен веществом отсутствует (запанная ампула);

ИЗОЛИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ, не обменивающиеся с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Термодинамическое описание системы включает:

1) набор термодинамических параметров:

Т, р, V, ν, m, изменение которых свидетельствует о протекании термодинамических процессов;

2) набор термодинамических функций, описывающих способность системы совершать работу.

Функции состояния зависят от начального и конечного состояния системы и не зависят от числа промежуточных стадий процесса.

Функции процесса зависят от числа промежуточных стадий процесса; Q и A

Примером функции состояния является внутренняя энергия системы (U) – это совокупность потенциальной и кинетической энергии всех структурных единиц системы.

1.2 Первый закон термодинамики

энергия не создается и не разрушается; она превращается из одного вида в другой или переходит их одной системы в другую.

Математическое выражение первого закона термодинамики для различных типов систем:

1. Внутренняя энергия изолированной системы постоянна: U=const, ΔU = 0.

2. Теплота, подводимая к закрытой системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение работы:

Q = ΔU + A или Q = ΔU + А΄ + pΔV

Для изобарного процесса (р = const), при условии А΄ = 0

Q= ΔU + pΔV = (U₂ – U₁) + p(V₂ – V₁) = (U₂ + pV₂) – (U₁ + pV₁),

где U + pV = Н, Н – термодинамическая функция состояния, называемая энтальпией или теплосодержанием системы.

Соответственно Q_р = H₂ – H₁ = ΔH,

где ΔH — тепловой эффект изобарного процесса.

Для экзотермического процесса, протекающего с выделением теплоты из системы в окружающую среду, ΔH < 0; для эндотермического процесса, протекающего с поглощением теплоты из окружающей среды, ΔH > 0.

3. Внутренняя энергия открытой системы возрастает как при ее нагревании, так и при увеличении в ней количества вещества:

ΔU = Q ± μΔν – A,

где μ – коэффициент пропорциональности, называемый химическим потенциалом; Δν – изменение количества вещества, моль.

Первый закон термодинамики не имеет доказательств, но является результатом опыта, накопленного человечеством. Ярким доказательством его справедливости является невозможность создания вечного двигателя первого рода.

Вечный двигатель первого рода – это машина, совершающая работу без поглощения энергии из окружающей среды.