Что называется термодинамической системой в химии
Основные понятия химической термодинамики
Задачи и разделы физической химии.
Современное определение физической химии – это наука, объясняющая химические явления и устанавливающая их общие закономерности на основе принципов физики и с использованием физических экспериментальных методов.
Важнейшая проблема современной физической химии – установление связи между строением вещества и его реакционной способностью. Первый учебник по физической химии был издан Нернстом в 1893 году, он назывался “Теоретическая химия на основе правила Авогадро и термодинамики”.
При изучении физико-химических явлений применяют следующие методы:
— Квантово-механический метод, использующий понятие дискретности энергии, а также другие ее свойства, относящиеся к элементарным частицам;
— Термодинамический (феноменологический) метод, основанный на нескольких законах, обобщающих опытные данные. Он позволяет выяснить свойства системы, не используя сведения о строении молекул или механизме процессов;
— Статистический метод, объясняющий свойства веществ, состоящих из большого числа частиц (макроскопические свойства), исходя из свойств отдельных частиц (микроскопические свойства) и их распределения в соответствии с теорией вероятности.
Основными разделами физической химии являются:
1. Строение вещества;
2. Химическая термодинамика (сюда включаются три закона термодинамики, учение о химическом и фазовом равновесии, учение о растворах);
Термин термодинамика был введен в середине XIX века и происходит от двух греческих слов “термо” – температура и “динамика” – работа. Химическая термодинамика изучает законы взаимного превращения различных видов энергии, состояние равновесия, а также возможность, направление и предел протекания самопроизвольных процессов. Вопрос о скорости протекания химических процессов термодинамика не рассматривает. Химическая термодинамика основана на трех законах (постулатах), иначе называемых началами термодинамики. Эти законы не доказываются, а являются обобщением множества опытных данных, накопленных человечеством. На основе этих законов получены многочисленные следствия, которые лежат в основе строгого описания окружающего нас мира.
Термодинамическая система – это совокупность материальных объектов, выбранных нами произвольно для изучения, которая отделена от всего окружающего (называемого внешней средой) некоторой границей (условной или реальной).
Изолированная система – это система, которая не может обмениваться с окружающей средой ни веществом, ни энергией и имеет постоянный объем.
Закрытая система – это система, которая не может обмениваться с окружающей средой веществом (т.е. имеет постоянную массу), но может обмениваться энергией (в форме теплоты или работы).
Открытая система – это система, которая может обмениваться с окружающей средой и веществом, и энергией.
Кроме того, системы могут быть гомогенными (однородными), которые состоят из одной фазы, и гетерогенными(неоднородными), состоящими из двух или более фаз.
Термодинамические параметры состояния системы – (температура, объем, давление и т.д.) – это определенные измеряемые свойства системы, характеризующие ее состояние.
Состояние системы – это совокупность термодинамических параметров системы.
Параметры состояния связаны между собой (в явном или неявном виде) так называемым уравнением состояния. Например, для идеального газа уравнением состояния является уравнение Менделеева-Клапейрона, которое для 1 моль газа имеет вид: pV = RT, или 
, или f (p,V,T) = 0.
Различают: экстенсивные и интенсивные свойства
1. Экстенсивные свойства, зависят от массы системы (V, m, U, H и т. д.) и обладают аддитивностью: свойство системы равно сумме свойств ее частей.
2. Интенсивные свойства, не зависят от массы системы (T, p, m, r и т. д.). Эти свойства не суммируются, а выравниваются.
Важными в термодинамике являются понятия функции состояния и функции процесса.
Функция состояния – это такое термодинамическое свойство системы, величина которого целиком определяется данным состоянием системы, а ее изменение в каком-либо процессе (т.е. при переходе системы из одного состояния в другое) не зависит от пути перехода, а определяется только конечным и начальным состоянием.
Функция состояния Z обладает следующими свойствами:
1. Пусть Z = Z(х,у), тогда dZ – бесконечно малое изменение функции Z – является полным дифференциалом, что можно записать математически:
2. 
.
Т.е. определенный интеграл от полного дифференциала dZ не зависит от пути интегрирования.
3. 
. Интеграл по замкнутому контуру от dZ равен нулю.
Функции процесса (F) зависят от пути перехода из одного состояния в другое. Они не имеют полного дифференциала. Их бесконечно малую величину (количество) обозначают dF, причем
и 
.
Функциями процесса являются например работа (А) и теплота (Q).
Термодинамический процесс–это изменение состояния системы, сопровождающееся изменением хотя бы одного из параметров состояния (свойств системы).
Изменение состояния системы может происходить при различных условиях, поэтому различают:
1) Равновесные и неравновесные процессы.
Равновесные процессы- это процессы, проходящие через непрерывный ряд равновесных состояний.
Равновесное состояние системы – состояние, не изменяющееся во времени и не требующее для своего поддержания воздействия каких-либо внешних факторов.
Неравновесные процессы — это процессы, после протекания которых систему нельзя вернуть в исходное состояние без того, чтобы в ней не осталось каких-либо изменений..
2). Обратимые и необратимые процессы.
Обратимые процессы – это процессы при протекании которых система возвращается в исходное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения. В противном случае процессы будут необратимыми.
В дальнейшем часто можно считать понятия обратимого и равновесного процесса совпадающими
3). Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы.
Самопроизвольные – процессы, происходящие сами собой не требующие затраты энергии извне и приближающие систему к равновесию.
Несамопроизвольные – процессы, требующие затраты энергии извне.
Отметим некоторые частные виды процессов, с которыми в дальнейшем придётся иметь дело:
г) адиабатический (нет обмена теплотой между системой и окружающей средой);
д) изобарно-изотермический (p = const, T = const);
е) изохорно-изотермический (V = const, T = const).
Химическая реакция – это разновидность процесса, при котором наблюдается изменение химического состава системы.
Рассмотрим ещё некоторые понятия.
Энергия – мера способности системы совершать работу.
Внутренней энергией системы называется сумма всех видов энергии, за исключением кинетической энергии системы в целом и ее потенциальной энергии положения.
Полная энергия системы равна сумме ее внутренней энергии, кинетической и потенциальной энергии системы как целого.
За энергию системы в термодинамике принимается ее внутренняя энергия. Внутренняя энергия обозначается символом U. Внутренняя энергия является. экстенсивным свойством системы. Нельзя определить абсолютную величину внутренней энергии системы, поскольку неизвестна, например, внутренняя энергия при 0 К. Можно определить только изменение внутренней энергии в результате того или иного процесса (DU).В равновесном состоянии система обладает определённым запасом энергии, поэтому внутренняя энергия является функцией состояния.
Работа и теплота – две возможные формы передачи энергии от одной системы к другой.
В случае работы энергия передается путем согласованного, упорядоченного, движения частиц.
Работа обозначается символом A, при этом работа положительна (А > 0), если она совершается системой против внешних сил, и отрицательна (А 0), если теплота поступает в систему (такой процесс называется эндотермическим), и отрицательна (Q
Термодинамическая система
| Термодинамика |
|---|
 |
| Статья является частью одноименной серии. |
| Начала термодинамики |
| Уравнение состояния |
| Термодинамические величины |
| Термодинамические потенциалы |
| Термодинамические циклы |
| Фазовые переходы |
| править |
| См. также «Физический портал» |
Термодинамическая система — это некая физическая система, состоящая из большого количества частиц, способная обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Также обычно полагается, что такая система подчиняется статистическим закономерностям. Для термодинамических систем справедливы законы термодинамики.
Описание
Для описания термодинамической системы вводят так называемые термодинамические величины — набор физических величин, значения которых определяют термодинамическое состояние системы. Примерами термодинамических величин являются:
Если термодинамическое состояние системы не меняется со временем, то говорят, что система находится в состоянии равновесия. Строго говоря, термодинамические величины, приведённые выше, могут быть определены только в состоянии термодинамического равновесия.
Классификация
Термодинамические системы подразделяются на однородные по составу (например, газ в сосуде) и неоднородные (вода и пар или смесь газов в сосуде).
Выделяют также изолированные системы, то есть системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом, и закрытые системы, которые обмениваются со средой только энергией, но не обмениваются веществом. Если же в системе происходят обменные процессы с окружающей средой, то её называют открытой.
Полезное
Смотреть что такое «Термодинамическая система» в других словарях:
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА — совокупность макроскопич. тел, к рые могут взаимодействовать между собой и с др. телами (внеш. средой) обмениваться с ними энергией и в вом. Т. с. состоит из столь большого числа структурных ч ц (атомов, молекул), что её состояние можно… … Физическая энциклопедия
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА — макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек (они могут быть также и мысленными, условными) и характеризующееся макроскопическими параметрами: объемом, температурой, давлением и др. Для этого… … Большой Энциклопедический словарь
термодинамическая система — термодинамическая система; система Совокупность тел, могущих энергетически взаимодействовать между собой и с другими телами и обмениваться с ними веществом … Политехнический терминологический толковый словарь
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА — совокупность физ. тел, которые могут обмениваться между собой и с др. телами (внешней средой) энергией и веществом. Т. с. является любая система, состоящая из очень большого числа молекул, атомов, электронов и др. частиц, имеющих множество… … Большая политехническая энциклопедия
термодинамическая система — Тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 103. Термодинамика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1984 г … Справочник технического переводчика
термодинамическая система — – произвольно выбранная часть пространства, содержащая одно или несколько веществ и отделенная от внешней среды реальной или условной оболочкой. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] … Химические термины
термодинамическая система — [thermodynamic system] макроскопическое тело, отделенное от окружающей среды реальными или воображаемыми границами, которое можно охарактеризовать термодинамическими параметрами: объемом, температурой, давлением и др. Различают изолированные,… … Энциклопедический словарь по металлургии
термодинамическая система — макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек (они могут быть также и мысленными, условными), которое можно характеризовать макроскопическими параметрами: объёмом, температурой, давлением и др. Для… … Энциклопедический словарь
термодинамическая система — termodinaminė sistema statusas T sritis chemija apibrėžtis Kūnas (kūnų visuma), kurį nuo aplinkos skiria reali ar įsivaizduojama riba. atitikmenys: angl. thermodynamic system rus. термодинамическая система … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
термодинамическая система — termodinaminė sistema statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. thermodynamic system vok. thermodynamisches System, n rus. термодинамическая система, f pranc. système thermodynamique, m … Fizikos terminų žodynas
Химическая термодинамика
Определение и общие понятия химической термодинамики
Термодинамика является макроскопической теорией.
Химическая термодинамики использует термодинамические методы для решения задач химии, например, исследования теории разных видов химических и фазовых равновесий и свойств веществ в растворах.
Основной физической величиной, которая подлежит рассмотрению в термодинамике, является энергия. Основным законом термодинамики является вариация закона сохранения энергии. Спецификой макроскопических систем, рассматриваемых в термодинамике, является то, нельзя провести непосредственное измерение энергии макроскопической системы. Разные методы в физике дают возможность определить изменение энергии отдельных частиц системы (атомов, молекул, ионов). Не существует способов прямого измерения энергии как единого целого. Изменение энергии макросистемы определяют как теплоту или работу. Существование внутренней энергии макросистемы (
), как физической величины было установлено в середине XIX века, после открытия первого начала термодинамики. Позднее появилась необходимость применять и другие, не измеряемые величины такие как: энтропия, энтальпия, химический потенциал и т.п. Каждая подобная величина определена как функция измеряемых величин, поэтому все выводы термодинамики можно проверить экспериментально.
Для описания свойств систем в термодинамике используют термодинамические переменные, которые называют термодинамическими параметрами. Термодинамические параметры — это физические величины, используя которые описывают явления, которые связаны с превращениями теплоты и работы. Термодинамические параметры являются макроскопическими величинами, отражающими свойства больших совокупностей молекул.
На основе первого начала термодинамики составляют уравнения теплового баланса. Второе и третье начала термодинамики служат для анализа фазового и химического равновесия.
Задачи химической термодинамики
Исследование законов химического и физического равновесия дают возможность решать следующие основные задачи:
Основные законы химической термодинамики
Первый закон термодинамики, которой отображает обмен энергией между системой и окружающей средой в форме работы и теплоты. Это одни из видов законов сохранения энергии. Формулировок первого начала термодинамики несколько, запишем один из них для закрытой системы:
где 
– количество теплоты, подведенное к системе; 
– работа системы; 
– изменение внутренней энергии системы.
Энтальпией (
) называют термодинамическую функцию, которая характеризует энергетическое состояние системы в изобарно — изотермических условиях ( то есть при 
). Энтальпия отражает тепловые изменения в системе, а теплота в окружающей среде. Количество теплоты, которое поглощается или выделяется в ходе химической реакции при равно изменению энтальпии системы (энтальпия реакции).
Закон Гесса для химических реакций говорит о том, что: величина теплового эффекта изобарных или изохорных процессов зависит только от начального и конечного состояний системы и не зависит от хода процесса.
Закон Гесса применяют для вычисления тепловых эффектов химических реакций.
Закон Гесса имеет полезные следствия:
Второй закон термодинамики говорит о направлении протекания процессов. Все самопроизвольные процессы происходят так, что система стремится к минимуму энергии, при этом энтропия системы увеличивается.
Примеры решения задач
| Задание | Каково затраченное количество теплоты в процессе, изображенном на рис.1? Процесс проводят с  1 молем азота. Масса газа в процессе не изменяется. |
где 
— универсальная газовая постоянная; 
– давление газа; 
– объем газа; 
— температура газа.
На рис. 1 изображен изобарический процесс. Для этого процесса запишем первое начало термодинамики в интегральном виде:
где изменение внутренней энергии газа можно найти как:
Работа при изобарном процессе в идеальном газе может быть найдена как:
Из уравнения (1.1) и того, что 
, имеем:
Используя (1.2),(1.3) и (1.5) получаем:
Для азота будем считать 
. Проведем вычисления:
Дж| Задание | Вычислите изменение энтальпии ( ) для химической реакции:  , используя стандартные теплоты образования веществ. Каков тип реакции? |
| Решение | Отметим, что индекс 0 обозначает стандартное давление равное одной атмосфере; 298 – это температура  , которая считается стандартной температурой протекания химических реакций. |
Из справочных материалов возьмем значения стандартных энтальпий образования веществ 
при температуре :
Используя следствие закона Гесса имеем:
