44.Термодинамика. Основные задачи химической термодинамики. Основы биоэнергетики. Система и ее окружение (открытая, закрытая и изолированная система).

45.Состояние системы. Параметры состояния, уравнения состояния. Термодинамические функции (функции состояния, функции процесса). Первое начало термодинамики..

Слово термодинамика происходит от греческих слов «термос» (теплота) и «динамос» (сила, движение) – она изучает различные формы энергии и их взаимные превращения, возможности превращения энергии в полную работу.

Основная задача термодинамики исследование энергии и работы в макроскопических системах. Это означает, что термодинамика рассматривает общие свойства системы в целом, например (р,V, t) и не интересуется поведением отдельных частиц (молекул, атомов, электронов), структурой вещества и механизмом различных превращений.

Применение различных законов термодинамики к химическим и физико-химическим процессам является предметом химической термодинамики.

Важное значение играет в термодинамике термодинамическая система. Под системой в термодинамическом смысле понимают – выделенную из внешней среды ( реальными или мнимыми границами) совокупность тел ( веществ). Которые могут обмениваться средой энергией и веществом. Объекты природы не входящие в систему называются средой.

По характеру обмена с окружающей средой различают три типа системы: изолированная, закрытая и открытая.

А) изолированными называются системы, которые не могут обмениваться с окружающей средой ни веществом, ни энергией; Δm=0 ΔU=0

Б) Закрытые системы Δm=0 ΔU/=0 могут обмениваться с внешней средой энергией ΔU/=0, но не веществом Δm=0

В) открытые системы обмениваются с внешней средой и веществом Δm/=0 и энергией ΔU/=0

Примером является живая клетка. Живой организм, жизнедеятельность которого поддерживается благодаря непрерывному обмену с окружающей средой, как веществом, так и энергией.

Состояние системы характеризуется набором ее свойств - параметрами состояния, к которым относятся: химический состав системы. Температура, объем, давление, масса.

Человеческий организм он та же система.

Аналогичные характеристики а именно: температура, артериальное давление, масса, состав биологических жидкостей ( биохимический анализ крови, мочи и т.д.) используется врачом для определения состояния больного. Совокупность всех физических и химических свойств системы характеризует ее состояние.

Величины, которые непосредственно характеризуют состояние системы и могут быть измерены называются термодинамическими параметрами состояния ( Р,V, Т, m).

Математическое уравнение, связывающее параметры состояния называется уравнением состояния Менделеева-Клайперона: РV=m/M RT для идеального газа р,V объем и давление газа при Т⁰

m- масса газа М- молярная масса R- 8,314 Дж/моль.К универсальная газовая постоянная.

Кроме параметров состояния каждая система в термодинамике характеризуется величинами, которые называются термодинамическими функциями. К ним относятся внутренняя энергия, теплота, механическая работа, энтальпия, энтропия, энергия Гиббса.

Термодинамические функции делятся на два вида: А) функции состояния Б) функции процесса

К функциям состояния –(U,S,H,G) относятся такие, изменения которых не зависят от пути и способа проведения процесса, а зависят только от начального и конечного состояния системы.

Функции процесса (А,Q) зависят от того, при каких условиях и каким путем протекал процесс. Подобно тому как длина дороги от Москвы до Ингушетии ехать через Смоленск или Ростов.

Внутренняя энергия системы складывается из энергии образующих ее составных частей (молекул, атомов, электронов, ядер, внутриядерных частиц и т.д.) Она представляет собой сумму кинетической энергии движения этих частиц и потенциальной энергии их взаимодействия между собой, а также собственную энергию, отвечающую массе покоя частиц. Е =mС²

Работа процесса (А) - энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии и не зависящая от температуры этих тел. Существуют различные виды работы. Которые в химической термодинамике подразделяются на механическую. Когда система выполняет работу, направленную на преодоление сопротивления. Величина механической работы (А) равна произведению силы F на расстояние L на котором эта сила преодолевает сопротивление. А=FL

Или химическую А= nRT

А в случае расширения или сжатия газа, работа А= рΔV расширения газа. Р- внешнее давление ΔV- изменение объема.

Работа, выполняемая самой системой, в термодинамике считается положительной. Если перед работой стоит знак «минус» - это означает, что над системой выполняется работа.

«Полезная» работа – в химическом отношении такая работа при совершении, которой протекают химические реакции (например, электрический ток при электролизе).

Первое начало термодинамики.

Первое начало термодинамики является частью всеобщего закона сохранения энергии. В соответствии с законом сохранения энергии, энергия не возникает из ничего и не может превратиться в ничто. Если же в течение процесса исчезает энергия одного вида, то взамен появляется эквивалентное количество энергии другого вида. Формы обмена энергии с окружающей средой могут быть различными (тепловая, световая, энергетическая, механическая и др.). для упрощения все они разделены на две группы: Теплота Q –передача энергии путём беспорядочного, хаотичного движения частиц составляющих систему.

Работа А – передача энергии путём упорядоченного движения частиц . причём ни Q ни А не являются функциями состояния системы, а только способами передачи энергии, т.е. зависят от пути протекания процесса подобно длина дороги от Москвы до Ингушетии ехать через Смоленск или Ростов. Они эквивалентны друг к другу и связаны с внутренней энергией системы и первым законом термодинамики.

Энергия, сообщаемая любой термодинамической системе извне, расходуется на совершение работы над окружающей средой и изменение внутренней энергии самой системы: Q=ΔU+ А

Математическое выражение первого начала термодинамики показывает соотношение между расходом внутренней энергии, работой совершаемой самой системой (+А) и энергией Q, которая расходуется в виде теплоты Q. Q-А=ΔU

В случае изолированной системы ( ΔU=O Δm=O) согласно закону сохранения энергии ее внутренняя энергия определяется только ее параметрами состояния т.е. внутренняя энергия – есть функция состояния – это одна из формулировок первого закона термодинамики.

В случае закрытой системы ( ΔU/=O Δm=O) ΔU=Q-A на основании закона сохранения энергии, изменение внутренней энергии системы равно разности сообщаемой системе теплоты и совершаемой при этом работы. Это также формулировка первого закона термодинамики.

Если в процессе поглощения или выделения теплоты никакая работа не совершается т.е. А=О, а это возможно если объем системы не изменяется ΔV=O или V=соnst – изохорный процесс то вся теплота расходуется на изменение внутренней энергии Q_V=ΔU.

Внутренняя энергия возрастает в том случае, если система поглощает теплоту ΔU>0- эндотермический процесс. Внутренняя энергия убывает, если выделяется теплота во внешнюю среду ΔU<0 экзотермический процесс.