Параметры стояния системы. Термодинамические функции

ПАРАМЕТРЫ СТОЯНИЯ СИСТЕМЫ. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ

Состояние любой термодинамической системы может быть охарактеризовано количественно с помощью термодинамических переменных. Переменные, которые фиксированы условиями существования системы, и, следовательно, не могут изменяться в пределах рассматриваемой задачи, называют термодинамическими параметрамисостояния. К этим параметрам относятся:

ü давление Р,

ü объём V,

ü температура Т,

ü концентрация с.

Параметры это просто числа, получаемые посредством соответствующих измерительных операций. Значения этих параметров определяют условия, в которых находится система, или, что то же параметры задают состояние системы. Существенно то, что значения параметров отражают только то состояние системы, которое существует в данный момент. Пример: измеряем температуру воды в сосуде в кухне сегодня, она равна +22 ⁰С; завтра она равна + 25 ⁰С (что происходило с водой неизвестно, толи её нагревали, а потом охлаждали, толи её охладили, а потом нагрели?). Наиболее характерный признак термодинамического параметра заключается в том, что его значение не зависит от способа получения этого значения.

В термодинамике, кроме параметров состояния системы, широко используют величины, называемые термодинамическими функциями. Это переменные величины, которые не могут быть непосредственно измерены. Термодинамические функции разделяют на:

· функции состояния, которые зависят только от состояния системы и не зависят от пути, по которому это состояние получено. Функцией состояния называется такая переменная характеристика системы, которая не зависит от предыстории системы и изменение которой не зависит от того, каким образом было проведено это изменение. (Пример: камень поднимают в гору. Высота над уровнем моря h₁, а высота горы h_2. Достигнув вершины камень приобретает дополнительную энергию

∆Е = mg(h₁ – h₂). (1)

· функции перехода, значение которых зависит от пути, по которому происходит изменение системы.

 

Примеры функций состояния: энергия U, энтальпия Н, энергия Гиббса G, энтропия S.

Примеры функций перехода: теплота Q. Работа А. Эти функции не являются функциями состояния.

 

 

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Если состояние системы изменяется, то говорят, что в системе происходит термодинамический процесс. Особенностью описания термодинамических процессов является то, что они рассматриваются не во времени, т.е. характеризуются не скоростями изменения свойств, а величинами изменений. Процесс в термодинамике – это последовательность состояний системы, ведущих от одного начального набора термодинамических переменных к другому – конечному.

В ходе процесса некоторые термодинамические переменные могут быть зафиксированы.

Процессы, протекающие при постоянном объёме (V = const) называются изохорическими (или изохорными). Пример: приготовление жаркого в кастрюле скороварке с герметично закрывающейся крышкой.

Процессы, протекающие при постоянном давлении (Р = const), называются изобарными. Пример: варка варенья.

Система, находящаяся под атмосферным давлением и увеличивающая свой объём, совершает работу. В любом изобарном процессе совершается работа, равная произведению внешнего давления на изменение объёма:

 

А = Р_внеш. ∆V (2)

 

Чем больше ∆V, тем больше работа А. В химических реакциях ∆V в основном определяется изменением числа молей газообразных участников реакции, поскольку изменение объёмов при твёрдофазных и жидкофазных реакциях малы.

В общем случае во время химических реакций между системой и средой происходит обмен теплотой Q и работой А в направлении, показанном на следующей схеме:

 

СРЕДА

 

+ Q ↓ ↑ - Q

 

СИСТЕМА

 

+ A ↓ ↑ - A

 

СРЕДА

 

Работа, совершаемая системой над внешней средой, считается положительной, а совершаемая над системой – отрицательной. Теплота определяется числом Дж, полученных или отданных системой. Теплота, полученная системой, считается положительной, а отданная системой во внешнюю среду – отрицательной.

Процессы, при которых отсутствует обмен теплотой между системой и внешней средой, называются адиабатическими.

Процессы, протекающие при постоянной температуре (Т = const), называются изотермическими.

 

 

I – ОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Первое начало термодинамики – это фактически закон сохранения энергии. Он утверждает, что

 

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Интуитивно нам понятно, что самопроизвольно должны протекать процессы, идущие с выделением энергии (например: горение веществ, остывание чайника с кипятком, остывание утюга и т.п.). Однако, в природе идут процессы не только экзотермические, но и эндотермические. Наприме: весной тратится колоссальное количество теплоты на плавление снега и льда.

Возможность протекания первых процессов (экзотермических) объясняется стремлением систем к минимуму энергии, возможность протекания вторых обусловлена изменением какого-то другого свойства систем. Это свойство называется энтропией.

При обсуждении химических процессов удобно пользоваться определением энтропии, данным Больцманом:

 

ПАРАМЕТРЫ СТОЯНИЯ СИСТЕМЫ. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ

Состояние любой термодинамической системы может быть охарактеризовано количественно с помощью термодинамических переменных. Переменные, которые фиксированы условиями существования системы, и, следовательно, не могут изменяться в пределах рассматриваемой задачи, называют термодинамическими параметрамисостояния. К этим параметрам относятся:

ü давление Р,

ü объём V,

ü температура Т,

ü концентрация с.

Параметры это просто числа, получаемые посредством соответствующих измерительных операций. Значения этих параметров определяют условия, в которых находится система, или, что то же параметры задают состояние системы. Существенно то, что значения параметров отражают только то состояние системы, которое существует в данный момент. Пример: измеряем температуру воды в сосуде в кухне сегодня, она равна +22 ⁰С; завтра она равна + 25 ⁰С (что происходило с водой неизвестно, толи её нагревали, а потом охлаждали, толи её охладили, а потом нагрели?). Наиболее характерный признак термодинамического параметра заключается в том, что его значение не зависит от способа получения этого значения.

В термодинамике, кроме параметров состояния системы, широко используют величины, называемые термодинамическими функциями. Это переменные величины, которые не могут быть непосредственно измерены. Термодинамические функции разделяют на:

· функции состояния, которые зависят только от состояния системы и не зависят от пути, по которому это состояние получено. Функцией состояния называется такая переменная характеристика системы, которая не зависит от предыстории системы и изменение которой не зависит от того, каким образом было проведено это изменение. (Пример: камень поднимают в гору. Высота над уровнем моря h₁, а высота горы h_2. Достигнув вершины камень приобретает дополнительную энергию

∆Е = mg(h₁ – h₂). (1)

· функции перехода, значение которых зависит от пути, по которому происходит изменение системы.

 

Примеры функций состояния: энергия U, энтальпия Н, энергия Гиббса G, энтропия S.

Примеры функций перехода: теплота Q. Работа А. Эти функции не являются функциями состояния.

 

 

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Если состояние системы изменяется, то говорят, что в системе происходит термодинамический процесс. Особенностью описания термодинамических процессов является то, что они рассматриваются не во времени, т.е. характеризуются не скоростями изменения свойств, а величинами изменений. Процесс в термодинамике – это последовательность состояний системы, ведущих от одного начального набора термодинамических переменных к другому – конечному.

В ходе процесса некоторые термодинамические переменные могут быть зафиксированы.

Процессы, протекающие при постоянном объёме (V = const) называются изохорическими (или изохорными). Пример: приготовление жаркого в кастрюле скороварке с герметично закрывающейся крышкой.

Процессы, протекающие при постоянном давлении (Р = const), называются изобарными. Пример: варка варенья.

Система, находящаяся под атмосферным давлением и увеличивающая свой объём, совершает работу. В любом изобарном процессе совершается работа, равная произведению внешнего давления на изменение объёма:

 

А = Р_внеш. ∆V (2)

 

Чем больше ∆V, тем больше работа А. В химических реакциях ∆V в основном определяется изменением числа молей газообразных участников реакции, поскольку изменение объёмов при твёрдофазных и жидкофазных реакциях малы.

В общем случае во время химических реакций между системой и средой происходит обмен теплотой Q и работой А в направлении, показанном на следующей схеме:

 

СРЕДА

 

+ Q ↓ ↑ - Q

 

СИСТЕМА

 

+ A ↓ ↑ - A

 

СРЕДА

 

Работа, совершаемая системой над внешней средой, считается положительной, а совершаемая над системой – отрицательной. Теплота определяется числом Дж, полученных или отданных системой. Теплота, полученная системой, считается положительной, а отданная системой во внешнюю среду – отрицательной.

Процессы, при которых отсутствует обмен теплотой между системой и внешней средой, называются адиабатическими.

Процессы, протекающие при постоянной температуре (Т = const), называются изотермическими.

 

 

I – ОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Первое начало термодинамики – это фактически закон сохранения энергии. Он утверждает, что