Основные понятия термодинамики

Термодинамика - наука, изучающая взаимные переходы теплоты и работы в равновесных системах и при переходе к равновесию. Химическая термодинамика - раздел физической химии, в котором термодинамические методы применяются для анализа химических явлений: химических реакций, фазовых переходов и процессов в растворах.

Объект изучения термодинамики - термодинамические системы, т.е. макроскопические объекты, отделенные от окружающего пространства реальной или мысленной поверхностью. Системы бывают:

открытые, в которых существует обмен энергией и веществом с окружающей средой;

закрытые, в которых существует обмен энергией с окружением, но нет обмена веществом;

изолированные, в которых нет обмена с окружением ни энергией, ни веществом.

Состояние системы описывают с помощью макроскопических параметров. Параметры бывают:

внутренние, которые определяются только координатами тел системы, например: плотность или внутренняя энергия U;

внешние, которые определяются координатами тел в окружающей среде, например, объем V (при фиксированном положении стенок сосуда) или напряженность электрического поля E;

экстенсивные, которые прямо пропорциональны массе системы или числу частиц, например, объем V, энергия U, энтропия S, теплоемкость C;

интенсивные, которые не зависят от массы системы или числа частиц, например, температура T, плотность , давление p. Отношение любых двух экстенсивных параметров является интенсивным параметром, например парциальный мольный объем V или мольная доля x.

Среди термодинамических параметров выделяют обобщенные силы и обобщенные координаты. Обобщенные силы описывают состояние равновесия. К ним относят давление p, химический потенциал , электрический потенциал , поверхностное натяжение . Обобщенные силы - интенсивные параметры.

Обобщенные координаты - это величины, которые изменяются под действием соответствующих обобщенных сил. К ним относятся объем V, количество вещества n, заряд e, площадь W. Все обобщенные координаты - экстенсивные параметры.

Состояние системы описывается также с помощью термодинамических функций, которые зависят от параметров. Различают:

функции состояния, которые зависят только от состояния системы и не зависят от пути, по которому это состояние получено;

функции перехода, значение которых зависит от пути, по которому происходит изменение системы.

Примеры функций состояния: энергия U, энтальпия H, энергия Гельмгольца F, энергия Гиббса G, энтропия S. Термодинамические параметры объем V, давление p, температуру T также можно считать функциями состояния, т.к. они однозначно характеризуют состояние системы. Примеры функций перехода: теплота Q
и работа A.

Функции состояния характеризуются следующими свойствами:

бесконечно малое изменение функции f является полным дифференциалом (обозначается df);

изменение функции при переходе из состояния 1 в состояние 2 определяется только этими состояниями: ;

в результате любого циклического процесса функция состояния не изменяется:

.

Параметры системы могут зависеть или не зависеть от времени. В зависимости от этого различают следующие состояния
термодинамических систем:

стационарное, когда параметры системы не зависят от времени, но в системе есть потоки (например, массы или энергии);

равновесное, когда параметры системы не зависят от времени и нет потоков;

неравновесное, когда параметры системы зависят от времени.

Если хотя бы один из параметров системы меняется со временем, то говорят, что в системе происходит процесс. Процессы бывают:

обратимые, когда переход системы из одного состояния в другое и обратно может происходить по одному и тому же пути, и после возвращения в исходное состояние в окружающей среде не остается макроскопических изменений;

квазистатические, или равновесные, которые происходят под действием бесконечно малой разности обобщенных сил;

необратимые, или неравновесные, когда параметры меняются с конечной скоростью.

Дата добавления: 2014-10-17