3.1. Некоторые понятия термодинамики

Системой называется совокупность находящихся во взаимодействии веществ или частиц, мысленно или фактически обособленных от окружающей среды (последняя в свою очередь тоже является системой).

Система называется изолированной, если она не обменивается с окружающей средой энергией и веществом.

Система называется закрытой, если она обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом.

Система называется открытой, если она обменивается с окружающей средой энергией и веществом.

Гомогенная система – сплошная однородная система, любое свойство которой имеет во всех частях одинаковое значение или непрерывно изменяется от точки к точке. Например, жидкая вода и растворы.

Гетерогенная система – система, отдельные части которой различаются по свойствам и отделены друг от друга поверхностями раздела. Примером такой системы может служить лед, вода и ее пары, находящиеся в одном сосуде.

Фаза – это однородная часть неоднородной (гетерогенной) системы, имеющая определенный химический состав и свойства, отделенная от других фаз поверхностью раздела, и которая в принципе может быть выделена из системы каким-либо механическим способом.

Гомогенные системы однофазны. Гетерогенные системы содержат больше одной фазы.

Химическая система − совокупность исходных веществ и продуктов химической реакции.

Термодинамические параметры − величины, характеризующие макроскопические свойства системы. Например, давление, объем, температура.

Уравнения состояния − количественные зависимости между параметрами системы. Например, уравнением состояния является уравнение, описывающее состояние идеального газа (уравнение Менделеева – Клапейрона): рV=nRT.

3.2. Понятие о функции состояния

Термодинамика изучает состояния системы, которые характеризуются ее физическими и химическими свойствами (V, p, T, химический состав и т.д.). В термодинамике систему характеризуют при помощи функций состояния.

Функция состояния – величина, определяемая параметрами состояния, однозначно характеризующая систему и не зависящая от пути достижения данного состояния данной системой. Примером функции состояния может служить потенциальная энергия.

Свойства функции состояния:

1. Функция состояния системы не зависит от пути достижения данного состояния данной системой.

2. Функция состояния есть величина аддитивная: функция состояния целого (системы) равна сумме функций состояния ее частей.

3. Абсолютное значение функции состояния f определить, как правило, нельзя, но ее изменение ∆f при переходе системы из одного состояния в другое − величина определенная и измеряемая.

Расчет функций состояния, исследование их зависимостей от условий проведения реакций составляет предмет химической термодинамики.

3.3. Внутренняя энергия, теплота, работа

Внутренняя энергия (U) включает в себя все виды энергии системы (кинетическую энергию поступательного, вращательного, колебательного движения молекул и все формы движения атомов, электронов, ядер и т.д.) за исключением кинетической энергии и потенциальной энергии всего тела (системы).

Как и любую энергию, внутреннюю энергию нельзя измерить. Однако можно определить ее изменение при переходе из одного состояния в другое.

В термодинамике обычно исследуют две различные формы передачи энергии от одной системы к другой – теплоту Q и работу А.

Теплота – неупорядоченная форма передачи энергии при столкновении хаотически движущихся молекул соприкасающихся тел (осуществляется путем теплопроводности или теплоизлучения). В термодинамике положительной (Q>0) считается теплота, подведенная к системе. В термохимии подводимая к системе теплота имеет противоположный знак (Q< 0).

Работа – упорядоченная форма передачи энергии, общей чертой которой является перемещение масс, состоящих из очень большого числа молекул, под действием каких-либо сил.

Положительной (А>0) считается работа, совершаемая системой против действия внешних сил.

В отличие от внутренней энергии, теплота и работа зависят от способа проведения процесса, т.е. являются функциями пути.