Науковий фундамент термодинаміки

ХЕМІЧНА ТЕРМОДИНАМІКА

ЧАСТИНА І.

1.1. ТЕРМОДИНАМІКА (від гр. Therme – жар, тепло) – наука про взаємні енергетичні перетворення та стани рівноваги в системах, в яких мають місце теплові ефекти.

Термодинаміка вивчає закономірности перетворення різних форм енергії (тепла, роботи, хемічної, електричної, маґнітної, випромінювання...) та властивости тіл, завдяки яким проходять ці перетворення. Термодинаміка має справу із властивостями термодинамічних систем, що знаходяться в рівновазі. Вона не описує протікання процесів у часі. Термодинаміка дає точне співвідношення між вимірюваними властивостями термодинамічних систем і відповідає на питання, наскільки глибоко пройде дана реакція до досягнення рівноваги, дозволяє впевнено передбачити вплив температури, тиску та концентрації на хемічну рівновагу.

Існує і термодинаміка нерівновагових процесів.

Історично склалася назва предмету «термодинаміка» (що не відповідає його змісту) за аналогією з «гідродинамікою», а в дійсности рух тепла (як форми енергії) в ній не розглядається.

1.2. ТЕРМОДИНАМІКА ґрунтується на двох основних началах (законах, принципах, положеннях, постулатах), які є узагальненням закономірностей, що спостерігаються в природі і в практиці людської діяльности, які застосовані до хемічної рівноваги, електрорушійних сил, фазових рівноваг і поверхневих і міжфазних явищ.

Перше начало термодинаміки є законом еквівалентности енергії, і витікає із загального закону збереження і перетворення енергії і речовини, прикладеного до термодинамічних систем і процесів. На його основі складається баланс енергій у будь-яких перетвореннях, при цьому використовуються властивости функцій термодинамічного стану тіл, що енергетично взаємодіють. Але перше начало не визначає можливости і спрямованість термодинамічних процесів.

Друге начало термодинаміки встановлює умови можливостей змін у заданому напрямі, умови рівноваги і ступінь завершености процесів, які можуть проходити у прямому і зворотньому напрямках.

Обмеження, що накладає друге начало на термодинамічний процес, виражається за допомогою деяких параметрів і функцій стану – ентропії (S), потенціалів Ґіббса (G) і Гельмгольца (F) тощо.

Ці два начала доповнені нульовим принципом і третім началом термодинаміки.

Нульовий принцип стверджує про самочинне досягнення теплової рівноваги в ізольованих системах.

Третє начало термодинаміки є доповненням другого у тій частині, що відноситься до розрахунків хемічної рівноваги на основі термічних властивостей речовин та стану і властивостей речовин, стану рівноваги при абсолютному нулі температур.

Ці основні положення термодинаміки мають досить узагальнений характер, а їх формулювання та окремі застосування визначаються залежно від конкретного змісту явищ. Термодинаміка побудована таким чином, що дослідним шляхом встановлені основні начала і положення та застосовано до них звичайний, доволі простий апарат математичної аналізи.

Феноменологічна термодинаміка. Сукупність закономірностей, що виведені математичним шляхом на основі логічного розвитку начал термодинаміки, становить зміст феноменологічної (класичної) термодинаміки. Вона побудована на чисто дедуктивному принципі: закони термодинаміки розглядають як дослідні (або внаслідок спостережень) узагальнення, з яких виводять наслідки (висновки) для різних окремих випадків (дедукція – від лат. виведення, перехід від загального до частинного; процес логічного висновку, тобто переходу за тими чи іншими правилами логіки від певних пропозицій-посилок до їх наслідків (висновків, заключень), при цьому наслідки завжди можна охарактеризувати як «окремий випадок (приклад)» загальних посилок)).

Феноменологічна термодинаміка побудована на таких принципах:

· застосовується лише до макросистем. Окремі частинки (молекули, атоми, електрони) або невелика їх сукупність і, відповідно, структура речовини та механізм процесів на мікроскопічному рівні не розглядаються. Границею макросистем можна вважати сукупність молекул, що визначається числами Лошмідта та Авогадро.

· не вдаючись до мікроскопічного змісту таких макроскопічних величин як тиск, об’єм, густина і т. п., встановлюють між ними зв’язок на основі даних досліду;

· має справу з властивостями систем, які знаходяться у рівноваговому стані;

· вона не описує протікання процесів у часі;

· дає точне співвідношення між виміряними властивостями системи;

· відповідає на питання: наскільки глибоко пройде даний процес до того, як буде досягнута рівновага;

· дає можливість передбачити вплив температури, тиску, концентрації на рівновагу;

· їй не прийнятні модельні уявлення про структуру речовини і характер руху частинок;

· сила її полягає у незалежности висновків від конкретної моделі системи та наближень, до яких неминуче вдається статистичний підхід.

1.3. У залежности від того, в якій галузі науки і техніки розглядається перетворення енергії, розрізняють загальну (фізичну), технічну і хемічну термодинаміку.

1.4. ФІЗИЧНА (ЗАГАЛЬНА) ТЕРМОДИНАМІКА – наука, в якій викладені теоретичні основи термодинаміки, її начала та їх застосування до фізичних явищ; вона встановлює математичні співвідношення між різними термодинамічними величинами; яка вивчає процеси перетворення різних форм енергії в твердих, рідких, ґазових (в т.ч. і плазменних) тілах і властивости цих тіл; яка розглядає електричні і маґнітні явища, випромінювання і поглинання в цих тілах тощо.

Фізична термодинаміка є теоретичною базою технічної і хемічної термодинаміки.

1.5. ТЕХНІЧНА ТЕРМОДИНАМІКА вивчає: основні закони фізичної термодинаміки у прикладанні до двох форм енергії – тепла і роботи; процеси, які відбуваються в робочих тілах (ґазах і парах); властивости робочих тіл (ґазів і пари); встановлення взаємозв’язку між тепловими і механічними процесами в теплових машинах і холодникових установках; займається розробкою теорії теплових двигунів для раціонального їх конструювання та експлуатації.

1.6. ХЕМІЧНА ТЕРМОДИНАМІКА вивчає: застосування начал, принципів і загальних положень фізичної термодинаміки до хемічних і фізико-хемічних явищ і термодинамічних систем; процеси і теплові баланси фізичних процесів розчинення, випаровування, кристалізації, адсорбції тощо та хемічні реакції, в яких мають місце теплові ефекти; термодинамічну рівновагу і вплив на термодинамічну рівновагу зовнішніх умов; фазові рівноваги для індивідуальних речовин і сумішей; хемічну рівновагу; вплив на фазову і хемічну рівноваги зовнішніх умов; процеси і умови самочинного протікання хемічних реакцій.

Дата добавления: 2014-12-25