Автор работы: Пользователь скрыл имя, 23 Июня 2014 в 10:28, доклад
Термодинамика изучает законы, которые описывают энергетические превращения, сопровождающие физические, химические и биологические процессы. Одним из основных понятий в термодинамике является система.
Системой называют тело или группу взаимодействующих тел, фактически или мысленно выделяемых из окружающей среды.
Тема №3: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
Термодинамика изучает законы, которые описывают энергетические превращения, сопровождающие физические, химические и биологические процессы. Одним из основных понятий в термодинамике является система.
Системой называют тело или группу взаимодействующих тел, фактически или мысленно выделяемых из окружающей среды.
Классификация систем и их характеристики. В зависимости от однородности различают гомогенные и гетерогенные системы.
Гомогенная система - это однородная система, в которой нет частей, различающихся по свойствам и разделенных поверхностями раздела.
Гомогенными системами являются, например, воздух, вода, истинные растворы.
Гетерогенная система - это разнородная система, состоящая из двух или более частей, отличающихся по свойствам, между которыми есть поверхность раздела, где свойства системы резко меняются.
Гетерогенными системами являются, например, молоко, цельная кровь, смеси воды и льда, воды и масла.
Существующие на Земле живые системы — гетерогенные. В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой различают системы изолированные, закрытые и открытые.
Изолированная система характеризуется отсутствием обмена энергией и веществом с окружающей средой.
Закрытая система обменивается с окружающей средой энергией, а обмен веществом исключен.
Открытая система обменивается с окружающей средой энергией и веществом, а, следовательно, и информацией.
Живой организм представляет собой открытую систему, жизнедеятельность которой невозможна без постоянного обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Абсолютно изолированных систем в природе нет.
Состояние системы характеризуется определенной совокупностью физических и химических величин, которые называются параметрами системы. Параметры бывают: экстенсивные - масса (т), количество вещества (число молей п), объем (V) – суммируются при контакте систем; интенсивные - температура (Т), давление (р), концентрация (с) – выравниваются при контакте систем. Значение параметра можно измерять непосредственно.
Наряду с параметрами для характеристики состояния системы используют функции состояния. Их значения рассчитывают по соответствующим формулам исходя из значений параметров, описывающих данное состояние системы. Изменение функций не зависит от пути протекания процесса. Такими функциями являются: внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, энергия Гиббса.
Переход системы из одного состояния в другое является процессом.
Процесс - это переход системы из одного состояния в другое, сопровождающийся необратимым или обратимых изменением хотя бы одного параметра, характеризующего данную систему.
Процессы разделяют в зависимости от изменения параметров системы на изотермические (T=const), изобарические (P=const), изохорические (V=const) и адиабатические (Q=const).
Жизнедеятельность человека протекает при постоянстве температуры и давления, т. е. при изобарно-изотермических условиях.
Для описания энергетического состояния системы используется ее функция состояния — внутренняя энергия (U, кДж/моль).
Внутренняя энергия представляет собой полную энергию системы, которая равна сумме потенциальной и кинетической энергии, всех частиц этой системы, в том числе на молекулярном, атомном и субатомном уровнях.
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Первый закон (первое начало) термодинамики - это всеобщий закон природы, закон сохранения и превращения энергии, соответствующий основному положению диалектического материализма о вечности и неуничтожимости движения. Впервые этот закон в 1842 г. сформулировал выдающийся немецкий физик Ю. Мейер, врач по образованию.
Энергия не исчезает и не возникает из ничего, а только превращается из одного вида в другой в строго эквивалентных соотношениях.
В зависимости от вида системы первый закон термодинамики имеет различные формулировки.
В изолированной системе внутренняя энергия постоянна
Для закрытой системы:
Если к закрытой системе подвести теплоту, то эта энергия расходуется на увеличение внутренней энергии системы и на совершение системой работы против внешних сил. D Q =D U + A
Сумму внутренней энергии системы и совершенной работы (произведения объема на давление (U + pV)) называют энтальпией (Н).
Энтальпия - термодинамическая функция, характеризующая энергетическое состояние системы, при изобарно-изотермических условиях.
Абсолютное значение энтальпии для любой системы определить невозможно, как и абсолютную величину внутренней энергии, поэтому в термодинамических расчетах используют лишь изменения энтальпии, происходящие при переходе системы из одного состояния в другое.
Количество теплоты, которое выделяется или поглощается при проведении химических реакций в изобарно-изотермических условиях, характеризуется изменением энтальпии системы и называется энтальпией реакции.
Химические реакции и физико-химические процессы подразделяются на экзотермические и эндотермические.
Экзотермические процессы сопровождаются выделением энергии из системы в окружающую среду.
В результате таких процессов энтальпия системы уменьшается.
Эндотермические процессы сопровождаются поглощением энергии системой из окружающей среды.
В результате этих процессов энтальпия системы увеличивается.
Изменение энтальпии в результате химической реакции или других процессов определяют при стандартных условиях.
Стандартные условия: количество вещества - 1 моль; давление - 760 мм рт. ст. =101325 Па; температура - 298 К = 25 °С.
Стандартная энтальпия образования простых веществ
в их наиболее термодинамически устойчивом агрегатном и аллотропном состоянии при стандартных условиях принимается равной нулю.
Стандартная энтальпия образования сложного вещества равна энтальпии реакции получения 1 моль этого вещества из простых веществ при стандартных условиях.
Числовые значения стандартных энтальпий образования сложных веществ приводятся в справочниках.
Энтальпию реакции можно определить как экспериментально, так и методом расчета с использованием стандартных энтальпий образования веществ, участвующих в химической реакции, на основе закона, открытого академиком Российской академии наук Г. И. Гессом (1840).
Закон Гесса
Энтальпия реакции, т. е. тепловой эффект реакции, зависит только от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов и не зависит от пути, по которому протекает реакция.
В термохимических расчетах большое значение имеют следствия из закона Гесса.
Первое следствие
Энтальпия реакции равна разности алгебраической суммы энтальпий образования всех продуктов реакции и алгебраической суммы энтальпий образования всех исходных веществ:
Второе следствие
Тепловой эффект реакции при стандартных условиях равен разности между суммой энтальпии сгорания исходных веществ и суммой энтальпии сгорания продуктов реакции с учетом их стехиометрических коэффициентов.
Стандартной теплотой (энтальпией) сгорания называется энергия, которая выделяется при сгорании в атмосфере кислорода 1 моль вещества до простейших оксидов (СО2, Н2О, SO2) при стандартных условиях.
Закон Лавуазье-Лапласа (3-е следствие из закона Гесса):
Энтальпия прямой реакции численно равна энтальпии обратной реакции, но с противоположным знаком.
Основным источником энергии для живых организмов является химическая энергия, заключенная в продуктах питания. Для человека главными компонентами пищи являются жиры, углеводы и белки, окисление которых сопровождается выделением энергии. В медицине энергетическую характеристику продуктов питания принято выражать в калориях. Пища обычно представляет собой смесь питательных веществ сложного состава, поэтому калорийность пищи указывается в расчете на 1 г, а не на 1 моль.
Калорийностью питательных веществ называется энергия, выделяемая при полном окислении (сгорании) 1 г питательных веществ.
Взаимосвязь между единицами энергии выражается соотношением: 1 калория = 4,18 Дж.
Наибольшую энергетическую ценность имеют жиры, при окислении которых выделяется 37,7-39,8 кДж/г (9,0-9,5 ккал/г). В процессе усвоения углеводов в организме человека выделяется 16,5— 17,2 кДж/г (4,0—4,1 ккал/г). На этом же уровне находится и калорийность белков: 16,5-17,2 кДж/г (4,0-4,1 ккал/г).
ПОНЯТИЕ О САМОПРОИЗВОЛЬНЫХ ПРОЦЕССАХ. ЭНТРОПИЯ
Самопроизвольным, или спонтанным, является процесс, который совершается в системе без затраты работы извне и который уменьшает работоспособность системы после своего завершения.
Следовательно, самопроизвольно система может переходить только из менее устойчивого состояния в более устойчивое.
Наряду с энергией для характеристики движения частиц в термодинамике используется еще одна функция состояния -энтропия.
Энтропия (S) - термодинамическая функция, характеризующая меру неупорядоченности системы, т. е. неоднородности расположения и движения ее частиц.
Энтропия имеет размерность Дж/(моль • К).
Значение энтропии системы как меры ее неупорядоченности зависит от агрегатного состояния и природы вещества, температуры, давления и сложности системы.
Энтропия вещества в газообразном состоянии больше, чем энтропия его в жидком состоянии, а последняя больше энтропии этого вещества в твердом состоянии:
Энтропия системы при повышении температуры возрастает, так как увеличивается неупорядоченность движения частиц:
Энтропия системы при повышении давления уменьшается, так как снижается неупорядоченность движения частиц:
Энтропия системы с увеличением ее сложности повышается, так как возрастает число видов частиц и вариантов их расположения.
ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. ЭНЕРГИЯ ГИББСА
Второй закон (второе начало) термодинамики определяет направленность и пределы протекания самопроизвольных процессов, в том числе и биохимических.
В изолированных системах самопроизвольно могут совершаться только такие необратимые процессы, при которых энтропия системы возрастает.
Для неизолированных систем нужно учитывать не только изменение энтропии, но и изменение энергии. Поэтому необходимо рассматривать две тенденции, определяющие направление самопроизвольно протекающих процессов:
1) стремление системы к
2) стремление системы к
Энергия Гиббса.
Функцией, учитывающей обе эти характеристики и противоположность в тенденции их изменения при самопроизвольных процессах, является энергия Гиббса (G):
DG= DH - TDS
Энергия Гиббса является обобщенной термодинамической функцией состояния системы, учитывающей энергетику и неупорядоченность системы при изобарно-изотермических условиях.
Энергию Гиббса называют также изобарно-изотермическим потенциалом или свободной энергией. Величина DG характеризует ту часть изменения внутренней энергии, которая может быть превращена в полезную работу.
Свойства энергии Гиббса:
Второй закон термодинамики для закрытых систем формулируется следующим образом:
В системе при постоянной температуре и давлении самопроизвольно могут совершаться только такие процессы, в результате которых энергия Гиббса уменьшается.