Раздел II. Термодинамика

Актуальность

Живые организмы являются открытыми термодинамическими системами, которые обмениваются с окружающей средой различными веществами и энергией. Все процессы жизнедеятельности в организме тесно связаны с изменением энергетического баланса в системе живой организм - окружающая среда, поэтому термодинамические расчеты широко используются в медицине. Это расчеты энергетических превращений в целом живом организме и отдельных его системах в покое и при совершении работы (например, при мышечном сокращении, проведении нервных импульсов, осмотической работе), определение эффективности биологических процессов и энергии связи биохимических соединений. Исследование живых организмов как открытых термодинамических систем в стационарных условиях вблизи термодинамического равновесия позволяет подойти к изучению таких процессов, как, например, активный и пассивный транспорт веществ через клеточные мембраны, возникновение биоэлектрических потенциалов, механизм сопряжения потоков в биологической системе.

Цель: приобрести системные знания об основных понятиях термодинамики, научиться производить термодинамические расчеты.

II. 4 Первое начало (Первый закон) термодинамики. Термохимия

Термодинамика – наука о взаимопревращениях различных форм энергии и законах этих превращений, происходящих в макросистемах. 

Химическая термодинамика изучает энергетические эффекты химических реакций, возможности их самопроизвольного протекания и направления этих реакций в конкретных условиях.

Термохимическое уравнение – уравнение реакции, в котором указывается тепловой эффект, а также агрегатное состояние исходных веществ и продуктов реакции.

Тепловой эффект химической реакции – это теплота, которая выделяется или поглощается в ходе реакции.

Термодинамическая система – тело или группа тел, взаимодействующих между собой и отделенных от окружающей среды реальной или воображаемой границей.

По характеру обмена веществом и энергией с окружающей средой системы подразделяют на три типа:

Открытая система – система, которая обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией.

Закрытая система – система, которая обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом.

Изолированная система – система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

В зависимости от агрегатного состояния вещества, из которого они состоят, системы подразделяют на:

Гомогенные (однофазные) системы – все вещества системы находятся в одном агрегатном состоянии:

H_2(г) + Cl_2(г) = 2HCl_(г)

Гетерогенные (многофазные) системы – вещества системы находятся в разных агрегатных состояниях:

Zn_(тв) + H₂SO_4(р-р) = H_2(г) + ZnSO_4(р-р)

Фаза – часть системы с одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела.

Параметры состояния – свойства системы, изменение которых ведет к изменению состояния системы.

Состояние любой термодинамической системы характеризуется двумя группами параметров:

Интенсивные термодинамические параметры – не зависят от массы или числа частиц в системе (давление, температура, и др.).

Экстенсивные термодинамические параметры – зависят от массы или числа частиц в системе (общая энергия, энтропия, внутренняя энергия).

Термодинамический процесс – всякое изменение, происходящее в системе и связанное с изменением хотя бы одного из параметров состояния.

Функции состояния – термодинамические величины, которые характеризуют энергетические изменения системы (внутренняя энергия (U), энтальпия (Н), энтропия (S), свободная энергия (G)).