ОСНОВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ЗАДАЧИ И РАЗДЕЛЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Физическая химия – раздел химии, в котором изучается взаимосвязь химических процессов и физических явлений, которые их сопровождают, устанавливается связь между химическим составом, строением веществ и их свойствами, исследуются механизм и скорость химических реакций в зависимости от условий их протекания.

Содержание курса физической химии обычно делят на несколько основных разделов, характеризующих направление этой науки и определяющих ее предмет. Рассмотрим основные ее разделы:

— химическая термодинамика – изучает связь между теплотой и работой, и свойствами веществ или систем. Изучает макроскопические свойства тел и их изменения при обмене тел или систем энергией или веществом. Изучает свойства систем независимо от пространства и времени, ее не интересует скорость, и путь протекания химических реакций. В свою очередь химическая термодинамика включает термохимию, в которой изучаются тепловые эффекты химических реакций.

— учение о растворах – рассматривает природу растворов, их внутреннюю структуру и важнейшие свойства.

— электрохимия – изучает особенности свойств растворов электролитов, электропроводность растворов, процессы электролиза, работу гальванических элементов и электрохимическую коррозию металлов.

— химическая кинетика – изучает скорость и молекулярный механизм химических реакций, как в гомогенной, так и в гетерогенной среде, включая и явления катализа.

— коллоидная химия —наука, изучающая свойства гетерогенных высокодисперсных систем и протекающих в них процессов.

ОСНОВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Система– тело или группа тел, реально или мысленно выделенных из окружающей среды.

Термодинамическая система– группа взаимодействующих тел системы, между которыми происходит обмен теплотой или веществом, либо она описывается термодинамическими параметрами.

Окружающая среда – всё, что находится в контакте с системой.

В химической термодинамике выделяют несколько типов систем по их способности взаимодействовать с внешней средой:

— открытая – система, обменивающаяся с окружающей средой веществом и энергией;

— закрытая – система, обменивающаяся с окружающей средой только энергией и работой, но не веществом;

— изолированная – система не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Состояние системы – совокупность всех физических и химических свойств системы.

Термодинамические параметры состояния системы – измеримые свойства системы, связанные с энергией и характеризующие её состояние. Различают:

1. Экстенсивные свойства, зависящие от массы системы (V, m, U, H и т. д.) и обладающие свойством аддитивности:

свойство системы = S свойств частей.

2. Интенсивные свойства, не зависящие от массы системы (T, p, m, r и т. д.). Эти свойства не суммируются, а выравниваются.

Основные параметры состояния – параметры, поддающиеся прямому измерению. Те параметры, которые нельзя измерить непосредственно, рассматривают как функции основных параметров состояния.

Функция состояния – изменение её определяется только исходным и конечным состоянием системы и не зависит от путей перехода.

Изменение состояния системы, характеризующееся изменением её термодинамических параметров, называется термодинамическим процессом.

Изменение состояния системы может происходить при различных условиях, поэтому различают:

1). Равновесные и неравновесные процессы. Равновесные процессы рассматриваются как непрерывный ряд равновесных состояний системы. Равновесное состояние системы – состояние, не изменяющееся во времени и не требующее для своего поддержания каких-либо внешних факторов. Неравновесные — это процессы, после протекания которых систему нельзя вернуть в исходное состояние без того, чтобы в ней не осталось каких-либо изменений.

2). Обратимые и необратимые процессы. Обратимые – процессы, допускающие возможность возвращения системы в первоначальное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения. В противном случае процессы будут необратимыми.

3). Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы. Самопроизвольные – процессы, происходящие сами собой (не требующие затраты энергии извне) и приближающие систему к равновесию. Несамопроизвольные – процессы, требующие затраты энергии извне.

Отметим некоторые частные виды процессов, с которыми в дальнейшем придётся иметь дело:

а) изотермический (T = const);

б) изобарный (p = const);

в) изохорный (V = const);

г) адиабатический (нет обмена теплотой между системой и окружающей средой);

д) изобарно – изотермический (p = const, T = const);

е) изохорно – изотермический (V = const, T = const).

Рассмотрим ещё некоторые понятия.

Энергия – мера способности системы совершать работу.

Внутренняя энергия – весь запас внутренней кинетической и потенциальной энергии вещества без кинетической и потенциальной энергии всей системы. Внутренняя энергия обозначается символом U. Абсолютное значение внутренней энергии определить невозможно даже для простейших систем. Однако для целей термодинамики этого и не требуется. Важно количественно определить изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое:

. (1.1)

Величина внутренней энергии системы считается положительной, если в рассматриваемом процессе она увеличивается. В равновесном состоянии система обладает определённым запасом энергии, поэтому внутренняя энергия является функцией состояния.

Работаи теплота – две возможные формы передачи энергии от одной системы к другой. Работа – это энергия, передаваемая одним телом другому, не зависящая от температуры тел и не связанная с переносом массы.

Работа обозначается символом A, при этом работа положительна (А > 0), если она совершается системой против внешних сил, и отрицательна (А < 0), если она выполняется над системой. В химической термодинамике чаще всего рассматривают работу расширения. Если рассматривать работу расширения А, совершаемую системой, то равновесному процессу всегда соответствует максимальная работа.

Теплота– энергия, передаваемая одним телом другому, зависящая от температуры тел и не связанная с переносом массы. Теплота обозначается символом Q, при этом она положительна (Q > 0), если теплота поступает в систему (такой процесс называется эндотермическим), и отрицательна (Q < 0), если теплота отводится из системы (такой процесс называется экзотермическим).

В равновесном состоянии система не обладает ни запасом теплоты, ни запасом работы, поэтому они являются функциями процесса. Передача теплоты или совершение работы осуществляются лишь при взаимодействии системы с внешней средой или другой системой.