Классификация термодинамических систем

В зависимости от однородности различают системы гомогенные и гетерогенные.

В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой различают системы изолированные, закрытые и открытые.

В термодинамике различают три состояния системы: равновесное, стационарное и переходное.

Д ля живого организма характерно стационарное состояние.

Состояние системы характеризуется параметрами.

П араметры системы – совокупность физических и химических величин, характеризующих состояние системы.

П араметры системы подразделяют на экстенсивные и интенсивные.

При взаимодействии систем значения экстенсивных параметров суммируются, а интенсивных – усредняются.

Например, при смешивании горячего кофе и холодного молока, объемы суммируются, а температура усредняется.

Наряду с параметрами для характеристики состояния системы используют функции состояния.

Функции состояния – экстенсивные величины, которые нельзя непосредственно измерить экспериментально, характеризующие состояние системы. Их значения зависят только от данного состояния системы и не зависят от того, каким путем это состояние достигнуто. К функциям состояния относятся: внутренняя энергия (U), энтальпия (Н), энтропия (S), свободная энергия Гиббса (G).

Переход системы из одного состояния в другое является процессом.

Процесс – переход системы из одного состояния в другое, сопровождающийся необратимым или обратимым изменением хотя бы одного параметра, характеризующего данную систему.

Неотъемлемое свойство материи – движение. Оно проявляется в разных формах качественно отличающихся друг от друга, но взаимосвязанных между собой и превращающихся друг в друга. Мерой движения является энергия.

Э нергия – это количественная мера различных форм движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия является неотъемлемым свойством системы.

Рис. 1. Виды энергии химической системы

В зависимости от форм движения материи различают следующие виды энергии: тепловая, электрическая, химическая, ядерная и т.д. Термодинамика рассматривает процессы взаимного перехода тепловой энергии в другие виды (механическую, химическую, электрическую и т.д.).

В химической термодинамике важное значение имеет понятие внутренней энергии системы.

В нутренняя энергия (U) системы – это сумма потенциальной энергии взаимодействия всех частиц системы между собой и кинетической энергии их движения.

Внутренняя энергия системы складывается из поступательного и вращательного движения молекул, энергии внутримолекулярного колебательного движения атомов и атомных групп, составляющих молекулы, энергии вращения электронов в атомах, энергии, заключающейся в ядрах атомов, энергии межмолекулярного взаимодействия и других видов энергии.

, кДж/моль

Внутренняя энергия – функция состояния, абсолютное значение которой определить невозможно, так как любая термодинамическая система материальна, а материя – неисчерпаема. Экспериментально можно определить только изменение внутренней энергии в процессе взаимодействия системы с окружающей средой. Поскольку внутренняя энергия является функцией состояния, то величина U зависит от начального и конечного состояния системы, но не зависит от способа или пути, которыми данная система приведена из начального в конечное состояние.

Обмен внутренней энергией между системой и окружающей средой может осуществляться в форме теплоты или работы.

Р абота (А или W) – энергетическая мера направленных форм движения частиц в процессе взаимодействия системы с окружающей средой.

Работа А считается положительной, если совершается системой против внешних сил окружающей среды.

Т еплота (Q)– энергетическая мера хаотических форм движения частиц в процессе взаимодействия системы с окружающей средой.

В термодинамике количество теплоты Q считается положительным, если теплота сообщается системе из окружающей среды.

Работа и теплота не являются функциями состояния, а являются функциями процесса, их величина зависит от пути процесса, по которому система перешла из одного состояния в другое.