Химическая система. Функция состояния системы. Внутренняя энергия системы. Работа и теплота. Изменение внутренней энергии системы в ходе химических превращений

Химическая система – это совокупность веществ, находящихся во взаимодействии и мысленно выделенная из окружающей среды.

В зависимости от характера взаимодействия системы с окружающей средой различают открытые, закрытые и изолированные системы.

Открытой системой называется система, которая может обмениваться с окружающей средой энергией и массой (веществом). Примером открытой системы может служить живой организм и стакан горячего чая.

Закрытой системой называется система, которая может обмениваться с окружающей средой только энергией. В качестве примера закрытой системы можно привести невскрытую банку консервов.

Изолированной системой называется система постоянного объема, в которой не происходит обмена с окружающей средой ни массой, ни энергией. Привести пример изолированной системы затруднительно, т. к. даже Солнечная система является изолированной лишь в первом приближении. В какой-то мере такой системой можно считать закрытый сосуд Дьюара.

Часть системы, отделенная от других ее частей хотя бы одной поверхностью раздела, называется фазой.

Система, состоящая из веществ, находящихся в одной фазе, называется гомогенной.

Система, состоящая из веществ, находящихся в разных фазах и имеющих хотя бы одну поверхность раздела, называется гетерогенной. Например, лед и вода (жидкость) в одном сосуде – гетерогенная двухфазная система.

Компонентом системы называется вещество, которое может быть выделено из системы и существовать вне ее.

Состояние системы определяется ее параметрами. Параметры системы могут быть заданы на молекулярном уровне (координаты, количество движения каждой из молекул, очередность обмена молекул положениями в пространстве, энергией и др. – микроскопические параметры) и на уровне описания состояния всей системы (макроскопические параметры). Любому макроскопическому состоянию системы отвечает множество различных положений и движений молекул, т.е. множество микроскопических состояний. Макроскопических параметров, в отличие от микроскопических, немного, что очень удобно для их практического применения. Параметры состояния системы — это величины, позволяющие определить состояние системы, непосредственно измерив эти величины. В химии чаще всего используются следующие параметры состояния: давление, температура, объем, концентрация и др.

Различают:

ü экстенсивные параметры состояния, пропорциональные количеству вещества системы: масса, объем,

ü внутренняя энергия и т. п.,

ü интенсивные параметры состояния, не зависящие от количества вещества системы: давление, температура, вязкость и т. п.

Набор параметров системы называется состоянием системы. Изменение состояния системы называется процессом.

Различают следующие процессы:

ü изохорный – процесс, протекающий без изменения объема системы (V = const),

ü изобарный – процесс, протекающий без изменения давления в системе (p = const),

ü изотермический – процесс, протекающий без изменения температуры в системе (T = const),

ü адиабатный – процесс, протекающий без поглощения и выделения системой теплоты (Q = 0).

Процесс называется обратимым, если он допускает возвращение рассматриваемой системы из конечного состояния в исходное через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимую в обратном порядке. При этом в исходное состояние возвращается не только система, но и среда. Обратимый процесс возможен, если и в системе, и в окружающей среде он протекает равновесно. При этом предполагается, что равновесие существует между отдельными частями рассматриваемой системы и на границе с окружающей средой. Если невозможно найти способ вернуть и систему, и тела в окружающей среде в исходное состояние, процесс изменения состояния системы называется необратимым.

Важными понятиями термодинамики являются: энергия, теплота и работа.

Энергия — общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. В соответствии с различными формами движения материи энергию разделяют на механическую, электромагнитную, ядерную, тепловую, и т. д. Это деление до известной степени условно.

Теплота (Q) — форма беспорядочного (теплового) движения образующих тело частиц (молекул, атомов, электронов и т. д.). Количественной мерой теплоты служит количество теплоты, т. е. количество энергии, получаемой или отдаваемой системой при теплообмене. Теплота измеряется в единицах энергии: Дж, кал (1кал = 4,184Дж).

Работа (А) — произведение обобщенной силы на обобщенную координату. Механическая работа представляется произведением силы на перемещение. Электрическая работа рассматривается как произведение заряда на разность потенциалов. Работа расширения идеального газа равна произведению давления на изменение объема. Здесь сила, давление, разность потенциалов — обобщенная сила, а перемещение, изменение объема, заряд — обобщенная координата.

Теплота и работа являются эквивалентными формами передачи энергии.

Состояние системы определяется различными функциями, называемыми функциями состояния.

Функция состояния — функция независимых параметров системы, изменение которой не зависит от пути перехода системы из начального состояния в конечное, а зависит только от состояния системы в этих точках.

Разделение переменных на параметры состояния и функции состояния достаточно условно, так как в данном случае если X является функцией Y, справедливо и обратное утверждение. За параметры состояния приняли величины, абсолютное значение которых можно непосредственно измерить. Для функции состояния можно измерить или рассчитать лишь ее изменение (Δ). Изменение функции состояния рассматривается как разность ее значений в конечном и исходном состояниях системы, например,

ΔХ = Х₂ - Х₁ [1]

Индексы «1» и «2» характеризуют начальное и конечное состояния системы, соответственно.

Внутренняя энергия (U) — энергия системы, зависящая от ее внутреннего состояния. Внутренняя энергия включает энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов и т. д.), энергию колебательных и вращательных движений атомов в молекулах и энергию взаимодействия этих частиц, т. е. полный запас энергии в веществе. Естественно, измерить и рассчитать абсолютное значение внутренней энергии невозможно, можно лишь с достаточной точностью измерить ее изменение. Это характерно для всех функций состояния системы. Поскольку для нахождения изменения функций состояния и сравнения их между собой необходим единый уровень отсчета, то ввели понятие стандартного состояния вещества (системы). Стандартное состояние выбирают из соображений удобства расчетов; оно может меняться при переходе от одной задачи к другой. Значения термодинамических величин в стандартном состоянии называют стандартными и обозначают обычно с «нулем» в верхнем индексе, например, Н°, G°. Для химических реакций ΔG⁰, ΔН⁰ равны изменениям соответствующих G, Н реагирующей системы в процессе перехода от исходных веществ, находящихся в стандартном состоянии, к продуктам реакции, находящимся в стандартном состоянии.

Одно из возможных стандартных состояний характеризуется стандартными условиями: давлением (р°), составом (молярная концентрация с°): р° = 101325 Па = 1 атм; с° = 1 моль/л (С_М)

Система знаков. В эксперименте или в расчетах получают изменения функций состояния. Они могут принимать как положительные, так и отрицательные значения. В термодинамике для обозначения обмена энергией между системой и внешней средой принята следующая система знаков: энергия, получаемая системой от внешней среды, обозначается знаком «плюс», а отданная системой — знаком «минус».

+ Q — теплота, поглощенная системой;

- Q — теплота, выделенная системой;

- А — работа, совершенная системой против внешних сил;

+А — работа, совершенная внешними силами над системой.

Анализ тепловых явлений базируется на трех фундаментальных принципах (законах), подтвержденных данными многочисленных наблюдений.

Дата добавления: 2015-04-24