Основні поняття хімічної термодинаміки

ПЕРШИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ

Хімічна термодинаміка – це розділ фізичної хімії, що вивчає закони взаємних перетворень різних видів енергії, стани рівноваги та їх залежність від чинників, а також можливість, напрямок і межу протікання самодовільних процесів.

Термодинаміка розглядає різні проблеми за допомогою математичного апарата і спирається при цьому на три вихідні положення – основні закони (начала), що, в свою чергу, засновані на сукупності багатовікового досвіду. Справедливість цих законів підтверджується тим, що жоден з їх наслідків не суперечить досліду.

Перший закон термодинаміки – це закон еквівалентності енергії. Від дає можливість виражати різні види енергії деякими еквівалентними величинами.

Другий закон термодинаміки є законом про напрямок процесу. Від дозволяє передбачити, чи пройде процес за даних умов у певному напрямку, а також підібрати оптимальні умови проведення процесу.

Третій закон термодинаміки – це закон про абсолютне значення ентропії. Він дозволяє проводити розрахунки хімічних рівноваг без їх експериментального відтворення.

У розв'язанні тих чи інших питань термодинаміка використовує свій особливий – термодинамічний (феноменологічний) метод. Сутність цього методу полягає в узагальненні дослідних даних з подальшим використанням одержаних висновків (у вигляді законів) без урахування детальної будови розглядаємих систем. Особливістю термодинамічного методу є придатність його лише до систем, що складаються з дуже великої кількості окремих частинок (тобто метод має статистичний характер), а також можливість визначення лише імовірності розглядаємих процесів. Питання швидкості процесу термодинамічним методом визначити неможливо. Не зважаючи на свою обмеженість, термодинамічний метод більш точний, ніж статистичний та квантово-механічний методи дослідження, бо при його застосуванні не треба уводити спрощуючі припущення, які необхідні через складність реальних систем, вивчаємих методами статистичної чи квантової механіки.

Визначимо основні поняття хімічної термодинаміки – систему, стан системи і процес.

Предметом дослідження термодинаміки є система. Система – це тіло або сукупність взаємозв'язаних тіл, які можна фізично або в уяві виділити з навколишнього середовища. Термодинамічною вважається система, що складається з великої кількості частинок – такої, щоб в системі мала місце дифузія і теплопередача. Термодинамічна система – це модель реального об'єкта дослідження, що відображає найбільш суттєві для термодинаміки якісні і кількісні ознаки. Система, що не може обмінюватися з навколишнім середовищем енергією і речовиною, називається ізольованою. Система, що обмінюється з навколишнім середовищем лише енергією, називається закритою. Якщо ж система обмінюється з навколишнім середовищем і енергією і речовиною, то вона вважається відкритою. Гомогенною називають систему, в середині якої відсутні поверхні поділу, що відокремлюють частини системи з різними властивостями. Якщо в системі є поверхні поділу, що відокремлюють частини системи з різними властивостями, така система є гетерогенною. Системи, в яких протікають лише оборотні процеси, вважають рівноважними. Системи, в яких проходять лише необоротні процеси, називають нерівноважними.

Кожна термодинамічна система визначається сукупністю властивостей, які кількісно виражаються деякими числовими значеннями. Всі ці властивості можуть бути розділені на дві групи. Одні з них – екстенсивні – залежать від маси речовин, з яких складається система, і при процесі сумуються (об'єм, ентропія, ентальпія, внутрішня енергія, теплоємкість тощо). Інші ж не залежать від маси системи і мають однакові значення в усіх точках системи, якщо вона знаходиться в стані рівноваги. Ці властивості, особливо важливі для термодинамічного опису, називаються інтенсивними. До них належать тиск, температура тощо. Інтенсивні властивості при процесі вирівнюються. Властивості, які однозначно визначаються станом системи, називаються параметрами стану системи. Параметр стану характеризує будь-яку властивість системи і не залежить від того, як система прийшла до цього стану.

Основними параметрами системи вважають ті, які безпосередньо вимірюються на досліді. Це тиск, температура і об'єм.

Для вимірювання температури в системі СІ прийнято термодинамічну температурну шкалу з одиницею кельвін (К). Позначається температура буквою Т. Для визначення практичних результатів температури допускається застосування міжнародної практичної температурної шкали з одиницею градус Цельсія (°С). За цією шкалою температура позначається буквою t. Співвідношення між цими величинами визначається рівнянням

Т,К = t°С + 273,15» t°С + 273.

Тиск в системі СІ позначається буквою Р, одиниця вимірювання – паскаль (Па). 1 фіз.атм.(атм.) = 1,013×10⁵ Па = 760,00 мм рт. ст.

Об'єм в системі СІ позначається буквою V, одиниця вимірювання – кубічний метр (м³).

Процесом називається зміна стану системи (зміна хоча б одного з параметрів стану). Термодинамічні процеси можна характеризувати за різними ознаками. Так, наприклад, розрізняють ізотермічні (Т = const), ізобарні (P = const), ізохорні (V = const), ізобарно-ізотермічні (Р.Т = const) процеси. В залежності від виділення чи поглинання теплоти процеси називають відповідно екзотермічними або ендотермічними. Якщо система не обмінюється з навколишнім середовищем теплотою, процес називають адіабатичним. Циклічним вважають процес, внаслідок якого система повертається в початковий стан (усі параметри стану приймають вихідні значення).