Систем и процессов

Термодинамический метод описания

Методы описания систем и процессов

ПРОЦЕССЫ В ВЕЩЕСТВЕ

Окружающий нас материальный мир, как уже отмечалось, состоит из бесчисленного количества разновидностей объектов разного масштаба и сложной их соподчиненности. Все разновидности вещества в зависимости от условий участвуют в различных взаимодействиях, взаимных превращениях, проявляя при этом разнообразные физические и химические свойства, которые зависят от их строения, состава и структуры. Очевидно, что, изучая сущность процессов взаимопревращения веществ, изменение структуры их свойств, требуется решать широкий круг вопросов.

1. Почему происходят различные процессы?

2. Как направление процессов зависит от условий эксперимента?

3. Насколько полно идут эти процессы?

4. Какие вещества и в каких агрегатных состояниях образуют конечные продукты в результате превращений?

5. С какими реальными скоростями и по каким механизмам (в том числе химическим) реализуются превращения?

Ясно, что перечень вопросов может быть существенно расширен.

Каковы же основные методологические подходы к ответам на поставленные вопросы?

Первый метод - термодинамика. Особенностью этого метода является то, что он не рассматривает структуру, строение макрообъекта (макросистему, имеющую ~ 10²⁰ молекул) на молекулярном уровне. Термодинамический метод исследует закономерности превращения одних видов энергии в другие и носит опытный и формальный характер. Термодинамика опирается на некоторые фундаментальные законы (начала), использует простой математический аппарат, что дает возможность ее широкого применения, но имеет и некоторые ограничения.

Второй метод - статистическая механика, в основе которой лежит учение о молекулярном строении вещества Статистическая механика описывает движение коллектива частиц и получает их усредненные характеристики с помощью статистических законов, что дает возможность связать макросвойства системы с микросвойствами отдельных частиц По сравнению с термодинамикой второй метод расширяет область рассматриваемых явлений.

Стр. 47

Третий метод- квантово-механический, лежащий в основе учения о строении и свойствах отдельных атомов и молекул и взаимодействии их между собой. При этом главное внимание уделяется законам движения и распределения электронов по орбиталям. Отметим, что именно квантовая механика объясняет природу химических связей, соединяющих атомы в молекулы.

Классическая физика подчеркивает устойчивость, постоянство окружающего мира. Сегодня очевидно, что это справедливо лишь в редких случаях. Даже обобщенная с учетом положений квантовой механики и теории относительности динамика (наука о движении и его причинах) не делает различий между прошлым и будущим.

Окружающий нас мир непрерывно изменяется. Движение - неотъемлемый атрибут материи. Движение материи проявляется в разных формах, которые постоянно переходят друг в друга.

Мерой движения материи, т. е. его количественной и качественной характеристикой, является энергия, которая, как и движение, может существовать в различных формах.

Движение неуничтожимо, как и сама материя, что проявляется в форме наиболее общего закона природы - закона сохранения и превращения энергии. Энергия не создается и не исчезает бесследно. При всех процессах и явлениях суммарная энергия частей материальной системы, участвующих в данном процессе, не увеличивается и не уменьшается, оставаясь постоянной.

Законы превращения одной формы энергии в другую изучаются термодинамикой.

Исторически термодинамика возникла как наука, изучающая переход теплоты в механическую работу, т. е. ее появление было обусловлено необходимостью создания теоретических основ тепловых машин.

Современная термодинамика - наука, изучающая взаимосвязь между тепловой и другими видами энергии, а также влияние этой связи на свойства физических тел.

Стр. 48

Всякое превращение энергии связано с каким-либо процессом. В каждом процессе участвует определенное количество материальных тел. Совокупность тел, участвующих в том или ином процессе, называют системой. Система выделяется в пространстве либо реальными физическими, либо мысленными модельными границами. Тела, находящиеся за пределами (границами) системы, образуют окружающую среду (рис. 8).

Окружающая среда

Окружающая среда

Рис. 8. Выделение термодинамической системы из окружающей среды

Система и окружающая среда могут взаимодействовать друг с другом. Это взаимодействие заключается в передаче друг другу энергии и массы. Такие системы называются открытыми.

Если количество вещества в системе в ходе процессов остается постоянным, т. е. обмена веществом с окружающей средой нет, то система называется замкнутой (закрытой). В такой системе возможен только процесс обмена энергией с окружающей средой.

Если масса и энергия системы остаются постоянными, то такая система называется изолированной. Все процессы, происходящие в ней, сводятся к перераспределению массы и энергии между отдельными частями системы. Изолированные системы независимо от своего начального состояния в конечном итоге приходят в состояние, которое в дальнейшем уже не изменяется. Это конечное состояние называется состоянием термического или теплового равновесия.

В основе термодинамики лежат три фундаментальных закона (начала), которые являются обобщением опытных данных (фактов).

Первое начало представляет собой закон сохранения и превращения энергии в применении к макроскопическим (термодинамическим) системам.

Второе начало определяет функцию состояния системы (энтропию), характеризующую направленность процессов в системе и условие равновесного состояния.

Третье начало утверждает принцип недостижимости абсолютного нуля температур и обращение в нуль энтропии равновесного идеального кристалла при приближении его температуры к абсолютному нулю.

Стр. 49

Дата добавления: 2014-11-29