Естествознание

Что изучает термодинамика

 
 
01

Химическая термодинамика изучает превращения одних видов энергии в другие при протекании химических и физических процессов. Объектом химической термодинамики является система — тело или группа взаимодействующих тел, обособленных от окружающей среды реальной или воображаемой границей. Например, системой можно считать стакан с молоком, просто само молоко, не принимая во внимание стакан, или же наоборот — только стакан, независимо от того, что в нем находится. Порой встречаются самые неожиданные системы (рис. 1).

02
Рис. 1
Один из возможных вариантов термодинамической системы
Original by _Tophee_ on flickr.com
   
03 В термодинамике рассматриваются три основных вида энергии:
  • внутренняя энергия U — общий запас энергии системы, включающий энергию движения молекул, вращения и колебания атомов в молекулах, энергию электронов и атомных ядер, не включающий, однако, кинетическую и потенциальную энергию (рис. 2);
  • теплота Q — форма передачи энергии от одного тела к другому при наличии между ними разности температур;
  • работа A — форма передачи энергии от одного тела к другому при упорядоченном перемещении частиц вещества.

 
Рис. 2
Энергия атомных ядер и электронов — основа внутренней энергии системы
04 Внутренняя энергия
 
 
   
   
05

Теплота отражает передачу энергии на микроуровне: она выделяется или поглощается при переходе атомов из одного состояния в другое, при образовании или разрыве химических связей и т. д. Работа отражает передачу энергии на макроуровне, например, с помощью потоков газов и жидкостей — на этом основано действие турбин, двигателей и других устройств (рис. 3).

 
Рис. 3
В двигателе паровоза теплота, выделяющаяся при сгорании угля, превращается в работу
Original by  Foto43 on flickr.com
06 Превращение теплоты в работу
 
 
   
   
07

Внутренняя энергия характеризует систему, поскольку зависит от того, какие частицы входят в ее состав и какими свойствами они обладают; поэтому ее считают функцией состояния. Напротив, теплота и работа характеризуют процесс, в котором участвует система, поэтому их относят к функциям процесса.

08

Единицей энергии в системе СИ является Джоуль, Дж; она носит имя выдающегося английского физика (рис. 4). Однако, наравне с Джоулями, также широко используются калории, кал (от англ. to calorify — нагревать). Калория — удобная единица, поскольку она показывает, какое количество теплоты необходимо затратить для нагревания 1 мл воды на 1 °C при атмосферном давлении, а расчеты, связанные с нагреванием воды встречаются в технике повсеместно. Калория и Джоуль связаны соотношением:

 

1кал = 4,19 Дж


(1)
09
Джеймс Прескотт Джоуль
Рис. 4
Джеймс Прескотт Джоуль(1818—1889)
   
 

Классификация систем и их параметров

10

Термодинамические системы могут быть открытыми и закрытыми (рис. 5). Открытые системы обмениваются с окружающей средой и веществом, и энергией. Примеры открытых систем — люди, животные, растения, водоемы и пр. Закрытые системы делятся на неизолированные и изолированные. Неизолированные системы не обмениваются с окружающей средой веществом, но обмениваются энергией. Пример — герметично упакованные продукты (бутылки с газированной водой, пакеты с чипсами). Изолированные системы не обмениваются ни веществом, ни энергией. Такие системы в природе практически не встречаются, однако, к ним можно с небольшим допущением отнести термос и кабину космического корабля.

 
Рис. 5
Типы термодинамических систем
11
Открытая система Закрытая неизолированная система Закрытая изолированная система
открытая
закрытая неизолированная
закрытая изолированная
 
 
   
   
12

Состояние системы определяется термодинамическими параметрами. Они делятся на экстенсивные и интенсивные. Экстенсивные параметры зависят от количества вещества в системе — это масса m и объем VИнтенсивные параметры не зависят от количества вещества в системе. К ним относятся температура T, давление p, массовая доля компонента ω и некоторые другие величины.

13

В термодинамике пользуются только абсолютной температурной шкалой. Напомним, что в ней температура измеряется в Кельвинах, К. Один градус Цельсия равен одному Кельвину, при этом шкалы смещены друг относительно друга на 273 К (рис. 6):

 
T = t + 273,

где T — температура по Кельвину, t — по Цельсию


(2)
 
Рис. 6
Температурные шкалы Кельвина (слева) и Цельсия (справа)
14 Температурные шкалы Кельвина и Цельсия
 
 
   
   
15

Абсолютный ноль температуры — 0 К или –273 °С — является нижним пределом температуры, установленным природой. Достичь этой температуры невозможно, однако современное оборудование позволяет охладить тело до 0,000001 К. Такое оборудование, позволяющее получать глубокий холод, называется криогенным.

   
 

Термодинамические процессы

16

Состояние системы, при котором все ее параметры остаются неизменными во времени, называется термодинамическим равновесием. Все системы в природе и технике стремятся к состоянию равновесия, однако далеко не всегда его достигают. Раскаленный песок на берегу Средиземного моря остывает с наступлением короткой летней ночи, но как только начинается утро, жаркое южное солнце с новой силой продолжает его нагревать.

17 Любое изменение параметров системы есть не что иное, как термодинамический процесс. При осуществлении большинства процессов, встречающихся в природе и промышленности, один или несколько параметров остаются неизменными. Поэтому выделяют четыре основных термодинамических процесса:
  • изобарный, p = const; например нагревание песка, воды или камней под действием солнечных лучей;
  • изохорный, V = const, например, скисание молока в стеклянной бутылке;
  • изотермический, T = const, например, надувание воздушного шарика;
  • адиабатический, когда не происходит ни выделения, ни поглощения тепла, т. е. ΔQ = 0, например нагревание и остывание воздушных масс.

Иногда процесс может проводится таким образом, что неизменными останутся два параметра, например T и p — тогда процесс будет называться изобарно-изотермическим (рис. 7).

18
Фотосинтез
Рис. 4
К изобрано-изотермическим процессам относится фотосинтез — самая распространенная реакция на Земле
Original by Wilson (Army Gal) on flickr.com
   
   
19

Термодинамические параметры тесно связаны друг с другом. Наиболее простая зависимость между ними установлена для идеальных газов — это уравнение Менделеева-Клайперона:

 
Уравнение Менделеева-Клайперона,

где R = 8,31 Дж/(моль·К) — универсальная газовая постоянная, — количество вещества, моль

(3)
   
 

Законы термодинамики

20

Фундамент современной химической термодинамики составляют четыре закона — нулевой, первый, второй и третий.

21 Нулевой закон термодинамики гласит:
если система находится в состоянии термодинамического равновесия, то температура во всех ее частях одинакова.

Наглядной иллюстрацией этого является охлаждение теплого молока в холодильнике. Сразу после того, как мы ставим пакет с молоком в холодильник, термодинамическое равновесие нарушается, поскольку нулевой закон не выполняется. Но постепенно происходит изобарно-изохорное охлаждение пакета и он принимает температуру, поддерживаемую внутри холодильника. Система возвращается в состояние равновесия.

22

Первый закон — это одна из многочисленных формулировок закона сохранения энергии; он непосредственно описывает превращения одних видов энергии в другие при протекании физико-химических процессов.

23

Второй закон рассматривает понятия порядка и хаоса, а также позволяет определять возможность самопроизвольного протекания тех или иных химических реакций.

24 Третий закон термодинамики утверждает и доказывает, что
абсолютный ноль температуры недостижим.
   
   
25 Попробуйте сами!
  Предложите примеры следующих термодинамических систем:
а) закрытой, в которой протекает изобарно-изохорное нагревание;
б) закрытой, в которой протекает изобарно-изотермическое сжатие;
в) открытой, в которой термодинамическое равновесие сохраняется годами.
   
  ***
 
 
 
«Что изучает термодинамика», ноябрь 2009 Д. В. Широков
© 2009–2011 «Естествознание»
При перепечатке материалов ссылка на ресурс обязательна
Пишите нам: mail@nscience.ru
О проекте