Общие сведения. Термодинамика – наука о превращениях энергии в различных процессах, как физических, так и химических

Термодинамика – наука о превращениях энергии в различных процессах, как физических, так и химических, и о направлении процессов, о равновесии. Она описывает поведение не отдельных частиц (молекул или атомов), а больших коллективов, которые подчиняются статистическим законам. Термохимия – часть термодинамики, изучающая тепловые эффекты процессов. Обычно считают, что химия – это специфический раздел физики. Можно и так, но в данном пособии более уместно обратное представление: такие физические процессы, как превращения твёрдое тело _← ^→ жидкость, жидкость _← ^→ пар, являются простейшими частными случаями химических равновесий и описываются законами химической термодинамики.

Термодинамическая система – это тело или группа тел, которые находятся в контакте и могут обмениваться веществом и энергией. Термодинамика рассматривает в основном равновесные системы.

Открытая система – такая, которая может обмениваться с окружающей средой веществом и энергией. Закрытая – может обмениваться с окружающей средой энергией, но не веществом. Изолированная – не может обмениваться ни тем, ни другим.

Параметры состояния и функции состояния системы. Каждое состояние системы характеризуется набором физических величин, таких, как температура T, давление p, объём V, химический состав (обычно выражаемый в мольных долях различных компонентов: x₁, x₂...) и ряд других, рассматриваемых ниже. Но не все они являются независимыми.

Параметры состояния – это величины, которые, будучи взяты в минимальном числе, однозначно определяют равновесное состояние системы. Остальные величины зависят от этих параметров и являются функциями состояния. Те величины, которые зависят от количества вещества, обычно относят к одному молю.

Для данного состава и данного количества вещества величины T, p и V в равновесии однозначно связаны между собой уравнением состояния, хотя его простой аналитический вид хорошо известен лишь для идеальных газов: pV=nRT, а в остальных случаях его для каждой системы приходится устанавливать экспериментально. Если мы произвольно задаём T и p, то молярный объём уже от нашей воли не зависит, а является функцией состояния. Если же мы задаём произвольно температуру и молярный объём, этим однозначно определяется давление. Тогда T и V – параметры состояния, а p – функция состояния.

Число независимых параметров состава x на единицу меньше числа компонентов, потому что содержание последнего компонента определяется по разности.

Например, если задано, что система железо – кислород содержит 70 ат. % кислорода О (не О₂), при общем количестве атомов 1 моль и находится в равновесии при 1000 К и давлении в 1 бар – этим определяется, что содержание железа – 30 ат. %, и мы имеем смесь Fe₂O₃ (тв.) и О₂ (газ), и однозначно определяется молярный объём системы. Жёстко заданы и все прочие свойства равновесной системы. Следовательно, они являются функциями состояния.

Энергия. Вообще говоря, система может двигаться как целое и иметь кинетическую энергию, может находиться во внешних полях (гравитационном, электрическом, магнитном...) и иметь потенциальную энергию. Но эти явления химия не рассматривает. Основное внимание обратим на внутреннюю энергию U. U – это совокупность всех видов потенциальной и кинетической энергии частиц внутри системы: молекул, атомов, ионов, электронов, ядер, внутриядерных частиц. Она включает и те виды взаимодействий, о которых мы еще не знаем. Поэтому нельзя измерить абсолютное значение U. Но зато можно определить ее изменения в различных процессах. U однозначно определяется состоянием системы и потому относится к функциям состояния.