Основные понятия химической термодинамики

 Основные понятия химической термодинамики

В термодинамике принято различать такие понятия, как термодинамическая система и окружающая среда. Под термодинамической системой понимают совокупность взаимодействующих веществ, отделенных  от окружающей среды реальной или мысленно представленной границей (оболочкой), через которую может происходить обмен как веществом, так и энергией. Различают открытые, закрытые и изолированные системы.

В открытых  системах происходит обмен с окружающей средой и веществом и энергией. В закрытых системах с внешней средой может осуществляться обмен только энергией. В изолированных системах отсутствует какой-либо обмен с окружающей средой.

Совокупность однородных частей системы, обладающих одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенных от остальных частей системы поверхностью раздела, называется фазой.

 Системы, состоящие из одной фазы, называются гомогенными. Например, в системе Н_2(г) + I_2(г)  = 2HI_(г) все вещества находятся в газообразном состоянии и между ними отсутствует поверхность раздела.

Системы, содержащие несколько фаз, называются гетерогенными. Например, в системе СаО_(к) + СО_2(г) = СаСО_3(к) имеются три фазы, отделенные друг от друга поверхностями раздела.  

Состояние термодинамической системы характеризуется совокупностью ее химических и физических свойств и описывается рядом независимых переменных величин – параметров состояния (Р – давление, Т – температура, С – концентрация и т. д. ). Параметры состояния обладают интенсивными свойствами, т. е. выравнивающимися (например, при смешении двух жидкостей с разными температурами, в системе устанавливается средняя температура).  

В зависимости от постоянства того или иного параметра в термодинамике различают: изотермические процессы, протекающие при постоянной температуре; изобарические, идущие при постоянном давлении; изохорические – при постоянном объеме. Процессы, в которых совершается работа, но при этом система не обменивается теплом с окружающей средой, называются адибатическими.

С помощью параметров состояния можно вывести другие переменные величины, которые называют термодинамическими функциями (U – внутренняя энергия, Н – энтальпия, S – энтропия, G – энергия Гиббса). Термодинамические функции являются функциями состояния, т. е. их изменение не зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое, а зависит только от начального и конечного состояний системы. Термодинамические функции обладают экстенсивными свойствами, т. е. их величина пропорциональна количеству вещества (например, при смешении двух систем внутренняя энергия суммируется).

 Внутренняя энергия.  Работа. Теплота

Внутренняя энергия – это полная энергия системы, которая включает в себя кинетическую энергию движения молекул, атомов, ионов, электронов, атомных ядер и потенциальную энергию их взаимодействия. Абсолютное значение внутренней энергии определить невозможно. Однако можно измерить ее изменение (DU ) относительно некоторого условного нулевого значения, оговоренного при стандартных условиях (ст. у. ), за которые в термодинамике принята температура 298 К (25⁰С) и давление 101325 Па (1атм). Считается, что если в ходе какого-либо процесса внутренняя энергия возрастает, то DU – величина положительная, если убывает – то отрицательная. Внутренняя энергия системы не зависит от пути протекания реакции, а определяется только разностью энергий начального и конечного состояний:

таким образом, внутренняя энергия является функцией состояния.

В ходе химических превращений энергия может передаваться от одной системы к другой в виде теплоты Q, работы А. Теплота и работа имеют размерность энергии, но далеко не однозначны с ней. И та и другая являются формами передачи энергии, но не являются свойствами системы, т. е. нельзя утверждать, что они запасены в веществе.

Теплота – это неупорядочная форма передачи энергии за счет хаотического столкновения структурных единиц системы к частицам внешней среды путем теплопроводности, излучения или конвекции.

В реальных химических процессах очень часто используются закрытые системы, когда процесс происходит в герметичном сосуде с теплопроводными стенками. Обмен энергией с окружающей средой осуществляется посредством теплоты.

Работа является мерой упорядоченной формы перехода энергии при перемещении масс, состоящих из большого числа частиц, под действием каких-либо сил. Говоря о работе, имеется в виду некоторый процесс, который одна система совершает над другой. Газ, расширяясь в цилиндре с поршнем, может сжать пружину и тем самым передать ей часть своей энергии. Работа считается положительной, если она совершается системой против внешних сил, и отрицательной, если она производится внешними силами над системой.

В отличие от внутренней энергии теплота и работа не являются функциями состояния системы.