Термодинамика

Термодинамика — это фундаментальная отрасль физической химии, которая изучает принципы, определяющие энергию и её преобразования. Эта область предоставляет нам инструменты для прогнозирования направления процессов на макроскопическом уровне, независимо от микроскопических деталей материи. Здесь мы будем изучать термодинамику в глубину, охватывать её основные концепции и принципы, а также приводить иллюстративные примеры для улучшения понимания.

Основные концепции термодинамики

Система и окружение

Центральным понятием в термодинамике является определение системы и её окружения. Система - это та часть вселенной, которую мы заинтересованы изучать, тогда как окружение - это всё остальное. Системы можно классифицировать на три типа:

• Открытая система: может обмениваться энергией и веществом с окружающей средой. Например, открытый стакан, наполненный водой.
• Закрытая система: может обмениваться энергией, но не веществом с окружающей средой. Например, закрытый контейнер с поршнем, движущимся при постоянной температуре.
• Изолированная система: не может обмениваться ни энергией, ни веществом с окружающей средой. Например, термос.

Функция состояния и переменные состояния

Свойства системы могут быть описаны с использованием переменных состояния, которые зависят только от текущего состояния системы. Примеры: давление (P), объём (V), температура (T) и внутренняя энергия (U). Их также называют функциями состояния, потому что их значения зависят только от состояния системы, а не от того, как система достигла этого состояния.

Законы термодинамики

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики — это утверждение о сохранении энергии. Он гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, она только преобразуется или передаётся. Математически это выражается следующим образом:

        ΔU = Q – W
    

где ΔU — изменение внутренней энергии, Q — тепло, добавленное к системе, и W — работа, выполненная системой.

Например, возьмём газ, заключённый в поршни. Если газ нагреть, это может вызвать его расширение, выполняющее работу на поршень.

Когда поршень движется вверх, он выполняет работу над окружением. Баланс энергии будет таким, как описано в приведённом выше уравнении.

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики вводит понятие энтропии, которая является мерой беспорядка в системе. Он гласит, что энтропия изолированной системы всегда увеличивается со временем. Это можно сформулировать следующим образом:

        ΔS ≥ 0
    

где ΔS — это изменение энтропии. В реальных процессах энергия имеет тенденцию рассеивается, вызывая увеличение энтропии.

Рассмотрим смешивание двух газов, A и B, в изолированной системе. Изначально газы разделены перегородкой. Когда перегородка снимается, газы смешиваются, переходя к состоянию большего беспорядка (большей энтропии).

Третий закон термодинамики

Третий закон термодинамики гласит, что по мере приближения температуры системы к абсолютному нулю (0 Кельвин) энтропия совершенно упорядоченного кристаллического вещества приближается к нулю. Этот закон подразумевает, что невозможно достичь абсолютного нуля в конечном количестве шагов.

Термодинамические процессы

Изотермический процесс

В изотермическом процессе температура системы остаётся постоянной. Общий пример — когда газ медленно сжимается в поршне, обменивая тепло с окружающей средой и поддерживая постоянную температуру.

        q = w
    

В изотермическом расширении или сжатии работа, выполненная системой или над системой, равна обмену теплом.

Адиабатический процесс

Адиабатический процесс происходит без теплового обмена с окружением. Во время сжатия или расширения в адиабатическом процессе температура системы изменится. Связь между переменными такова:

        PV γ = const
    

где γ — адиабатический показатель, заданный отношением теплоёмкостей (Cp/Cv).

Изобарный и изохорный процессы

Изобарные процессы происходят при постоянном давлении, тогда как изохорные процессы происходят при постоянном объёме. Связь для изохорного процесса такова:

        w = 0
    

Поскольку объём не меняется, работа в изохорном процессе не выполняется.

Свободная энергия и равновесие

Свободная энергия Гиббса

Свободная энергия Гиббса (G) важна для прогнозирования спонтанности процессов при постоянном давлении и температуре. Изменение свободной энергии Гиббса даётся следующим образом:

        ΔG = ΔH – TΔS
    

Где ΔH — изменение энтальпии, а ΔS — изменение энтропии.

Процесс является спонтанным, если:

        ΔG < 0
    

В равновесии ΔG равно нулю, т.е. нет чистого изменения.

Химическое равновесие

В химических реакциях термодинамика может предсказывать состояние равновесия, используя реакционное соотношение Q и константу равновесия K. Если Q < K, реакция идёт вперёд; если Q > K, реакция регрессирует, пока Q = K в равновесии.

Применение термодинамики

Эффективность двигателей

Термодинамика полезна для понимания эффективности двигателей, таких как двигатель Карно. Эффективность двигателя Карно, работающего между двумя тепловыми резервуарами, задаётся следующим образом:

        Эффективность = 1 – (Tc/Th)
    

где Tc и Th — абсолютные температуры холодного и горячего резервуаров соответственно.

Холодильники

Принципы термодинамики также применяются к циклам холодильников, где тепло удаляется из охлаждаемого пространства в окружающую среду. Коэффициент производительности (COP) является мерой эффективности тепловых насосов и холодильников.

Эти несколько примеров иллюстрируют широкий спектр приложений и принципов, лежащих в основе термодинамики в физической химии. Через эти концепции химики могут лучше понимать энергетические барьеры и потенциалы, которые управляют химическими реакциями, изменениями фаз и всеми реальными процессами.

Комментарии