Первый закон термодинамики

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.