Хімічна термодинаміка
Залежно від поставлених завдань розрізняють термодинаміку загальну, технічну і хімічну. Хімічна термодинаміка вивчає хімічні і фізичні процеси на основі енергетичних явищ, що супроводжують ці процеси.
Предметом термодинаміки є вивчення законів взаємних перетворень різних видів енергії, пов’язаних з переходами енергії між тілами у формі теплоти та виконаної роботи.
Сукупність
всіх видів енергії розглядається як
єдина внутрішня енергія системи
.
Сюди входять: механічна, що складається
з кінетичної і потенціальної енергій
тіла, кінетична енергія теплового руху
атомів і молекул, з яких тіло складається,
енергія міжатомних і міжмолекулярних
зв’язків, утворених валентними
електронами, енергія електростатичної
і магнітної взаємодії, ядерна енергія
та інші види енергії.
Термодинаміка розглядає лише тіла макроскопічних розмірів (мінімальний розмір визначається статистичною термодинамікою і в деяких випадках це близько 1мкм). В термодинаміці об’єктом дослідження є тіло або група тіл, уявно або фізично виділених з матеріального світу в термодинамічну систему.
Система, яка не може обмінюватися із зовнішнім середовищем речовиною і енергією у вигляді теплоти або роботи, називається ізольованою.
Термодинамічними параметрами є температура, тиск, маса, густина і хімічний склад фаз, що входять в систему та деякі інші властивості. Зміна будь якого термодинамічного параметра викликає зміну термодинамічного стану системи.
Циклічними процесами, або циклами, називають такі, під час яких система змінювала свої властивості, але знову повернулась до свого початкового стану.
В результаті термодинамічних процесів здійснюється передача (перерозподіл) теплоти і виконується робота.
механічна
робота виконується лише тоді, коли під
дією сили здійснюється переміщення.
Елементарна робота
дорівнює добутку модуля вектора сили
на модуль елементарного переміщення
і на косинус кута між ними, тобто,
скалярному добутку цих векторів:
Робота вимірюється у джоулях, ергах, електрон-вольтах.
;
;
;
.
Внутрішня енергія і перший закон термодинаміки.
Нехай
в термодинамічній системі здійснюється
передача елементарної кількості тепла
і виконується елементарна робота
по подоланню дії сил, які перешкоджають
зміні стану системи. Вважаємо, що
.
Позначимо різницю цих величин через
диференціал деякої функції
,
яку назвемо внутрішньою енергією
системи:
Диференціал внутрішньої енергії дорівнює різниці переданої елементарної теплоти і виконаної елементарної роботи. Це перший закон термодинаміки, записаний в диференціальній формі. Якщо термодинамічна система здійснює перехід із стану (1) до стану (2), то можна записати інтеграл:
Введемо позначення:
,
отже,
.
Зміна внутрішньої енергії термодинамічної системи при її переході від одного стану до іншого дорівнює різниці переданої теплоти і виконаної роботи. Це інтегральна форма запису першого закону термодинаміки.
Якщо
процес циклічний, то
,
тобто внутрішня енергія системи не
зміниться при завершенні циклу. Можна
так сформулювати перший закон
термодинаміки:
Не
можливо шляхом повторення циклічних
процесів накопичувати енергію в системі.
В таких процесах
,
тобто, не можна побудувати вічний двигун
1-го роду, який виконував би роботу без
затрати еквівалентної кількості якогось
виду енергії.
Запишемо ще одне формулювання першого закону термодинаміки:
Енергія не створюється і не зникає, лише перетворюється з одного виду в інший і переходить від одного тіла до іншого в еквівалентних кількостях.