Какие свойства называются экстенсивными

I. Основные понятия термодинамики

Тема: Термодинамика химического равновесия.

Цель лекции: изучение вопросов по термодинамике химического равновесия

План:

1. Основные понятия термодинамики. Интенсивные и экстенсивные параметры. Функции состояния. Внутренняя энергия. Работа и теплота – две формы передачи энергии. Типы термодинамических систем (изолированные, закрытые, открытые). Типы термодинамических процессов (изотермические, изобарные, изохорные). Стандартное состояние.
2. Первое начало термодинамики. Энтальпия. Стандартная энтальпия образования веществ. Закон Гесса. Применение первого начала термодинамики к биосистемам.
3. Второе начало термодинамики. Обратимые и необратимые в термодинамическом смысле процессы. Энтропия. Энергия Гиббса. Прогнозирование направления самовольно протекающих процессов в изолированной и закрытых системах; роль энтальпийного и энтропийного факторов.
4. Химическое равновесие. Обратимые и необратимые по направлению реакции. Термодинамические условия равновесия в изолированных и закрытых системах. Прогнозирование смещения химического равновесия. Понятие о буферном действии, гомеостазе и стационарном состоянии живого организма.

Содержание лекции:

Химическая термодинамика – это раздел физической химии, изучающий взаимопревращение теплоты и энергии при протекании химической реакции.

Термодинамика основана на ряде понятий: система, состояние системы, параметры состояния системы, функции состояния системы, внутренняя энергия системы и т. д.

Термодинамическая система – это тело или группа тел, взаимодействующих между собой, и отделённых от окружающей среды реальной или воображаемой поверхностью раздела.

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

Закрытая система – это система, которая не обменивается со средой веществом, но обменивается энергией.

Открытая система – это система, которая обменивается со средой и веществом, и энергией.

Примером открытой системы является живая клетка.

Состояние системы – это набор свойств системы, позволяющих описать систему с точки зрения термодинамики.

Например, для оценки состояния человеческого организма, как термодинамической системы, врач должен оценить некоторые его свойства (температура, давление, концентрация биологических жидкостей).

Физические свойства, характеризующие состояние системы, называют параметрами состояния системы.

Взаимодействие системы с окружающей средой заметно по изменению параметров системы.

Экстенсивные параметры – это параметры, которые зависят от количества вещества системы и суммируются при объединении систем (объём, масса, энергия, площадь и т.д.).

Интенсивные параметры – это параметры, которые не зависят от количества вещества и выравниваются при объединении систем (температура, давление, концентрация, плотность, поверхностное натяжение).

Параметры состояния связаны уравнением состояния.

Переход системы из одного состояния в другое с изменением хотя бы одного параметра называется термодинамическим процессом.

Если процесс идет при постоянном давлении, он называется изобарным процессом. При постоянном объёме – изохорным, при постоянной температуре – изотермическим.

Функция состояния – это характеристика системы, которая не поддается прямому измерению, а рассчитывается через параметры состояния. Значение функции состояния не зависит от способа его достижения, а только от начального и конечного состояния системы.

Внутренняя энергия является одной из таких функций.

Внутренняя энергия – сумма всех видов энергий движения и взаимодействия частиц, составляющих систему.

В XIX веке немецкий судовой врач Майер Ю.Р. и английский ученый Джоуль Д. показали, что теплота и работа способны к взаимопревращениям, являясь разными способами передачи энергии.

Теплота – форма передачи энергии путем хаотического движения микрочастиц.

Работа – форма передачи энергии путём направленного движения макросистемы как целого.

Наблюдая за людьми в разных климатических зонах, Майер сделал вывод, что теплота сгорания пищи используется на поддержание постоянной температуры тела и на выполнение мускульной работы. Это наблюдение легло в основу 1 закона термодинамики.

Основные понятия и определения термодинамики

Термодинамика- это наука о взаимном преобразовании различных видов энергии (наиболее часто встречающиеся в природе тепловая и механическая виды энергии).

Объектом изучения термодинамики являются различные термодинамические системы.

Термодинамическая система представляет собой тело (несколько тел), способное обмениваться с другими телами (между собой) энергией и веществом.

То, что находится вне системы называется окружающей средой.

Например, термодинамическая система- это газ, находящейся в цилиндре с поршнем, а окружающая среда- это цилиндр, поршень, воздух, стены помещения.

Различают гомогенные (однородные) и гетерогенные (разнородные) термодинамические системы.

Гомогенная система– это система, внутри которой нет поверхностей раздела (например, вода, газы).

Гетерогенная система– это система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (например, вода и пар).

Вещества обычно пребывают в одном из трёх основных состояний: в твердом, жидком или газообразном состоянии. Очевидно, что одно и то же вещество при разных условиях может находиться в различных состояниях и соответственно свойства вещества будут различными.

Свойства термодинамической системы могут быть интенсивными и экстенсивными.

Интенсивными называют свойства, не зависящие от количества вещества в системе (например, давление и температура).

Свойства, зависящие от количества вещества, называют экстенсивными. Примером экстенсивных свойств является объем, который изменяется пропорционально количеству вещества. Объем 10кг вещества при одних и тех же условиях будет в 10 раз больше, чем объем 1кг вещества.

Экстенсивные свойства термодинамической системы, отнесенные к массе вещества или другими словами удельные экстенсивные свойства приобретают смысл интенсивных. Так, удельный объем, удельная теплоёмкость и т.п. рассматриваются в качестве интенсивных свойств.

Интенсивные свойства, определяющие состояние термодинамической системы, называются термодинамическими параметрами состояния системы.

Наиболее удобными и поэтому наиболее распространенными параметрами состояния являются абсолютная температура, абсолютное давление и удельный объем (плотность) системы.

Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Понятие о температуре вытекает из следующего утверждения: если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их температур они будут обмениваться теплотой друг с другом, если же их температуры равны, то теплообмена не будет.

В качестве термодинамического параметра состояния системы принимают абсолютнуютемпературу Т. Она всегда положительна.

В системе СИ единицей температуры является кельвин (К); на практике широко применяется градус Цельсия (). Соотношение между абсолютной Т и стоградусной t температурами имеет вид:

Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть сила ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о единицу площади стенки сосуда, в котором заключен газ, т.е.:

В системе СИ давление выражается в Паскалях. .

Различают избыточное и абсолютное давление.

Избыточное давление ()- это разность между давлением жидкости или газа в сосуде и давлением окружающей среды. Привести пример !!!

Абсолютное давление ()- это давление, которое отсчитывается от абсолютного нуля давления или другими словами от абсолютного вакуума.

Именно абсолютное давление является термодинамическим параметром состояния системы.

Абсолютное давление определяется:

1). При давлении сосуда больше атмосферного:

2). При давлении сосуда меньше атмосферного:

где – атмосферное давление; – давление вакуума (давление разрежения).

Удельный объем – это величина, которая определяется как отношение объема вещества к его массе:

Между удельным объемом вещества и его плотностью существует очевидное соотношение:

При отсутствии внешних воздействий на термодинамическую систему (например, со стороны гравитационного или электромагнитного поля) состояние системы считается определенным, т.е. известным если заданы 2 интенсивных параметра состояния системы.

Если, например, рассматривается водяной пар при температуре 2500С и атмосферном давлении, то удельный объем такого пара может иметь только одно значение 0,23м3/кг.

Таким образом, удельный объем данного вещества однозначно определяется давлением Р и температурой Т.

Если в различных точках термодинамической системы существуют различные значения температур, давлений и других параметров, то такая система является неравновесной.

Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равновесным.

В классической термодинамике (т.е. термодинамике идеального газа) рассматриваются только равновесные системы.

В простейших равновесных термодинамических системах, которыми являются газы или пары, параметры состояния, т.е. удельный объем, температура и давление связаны уравнением состояния идеального газа:

– для М кг газа:

– для 1кг газа:

где – газовая постоянная, которая определяется по формуле:

где – молекулярная масса газа, .

Изменение состояния термодинамической системы во времени называется термодинамическим процессом. Так, при перемещении поршня в цилиндре объем, а с ним давление и температура находящегося внутри газа будут изменяться, поскольку будет совершаться процесс расширения или сжатия газа.

Если в термодинамическом процессе изменение параметра состояния не зависит от вида процесса, а определяется начальным и конечным состоянием, то параметры состояния называются функцией состояния. Такими параметрами являются, например, внутренняя энергия и энтальпия системы.