XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Понятие термодинамики

Объектом общей термодинамики являются количественные соотношения между теплотой и различными формами энергии, химическая термодинамика отличается тем, что она изучает формы превращения химической энергии в теплоту, механическую работу и другие формы энергии. Объектом химической термодинамики являются тепловые балансы физико-химических процессов, фазовые и химические равновесия. Частью химической термодинамики является термохимия, которая изучает тепловые эффекты химических реакций;

Термодинамика является дедуктивной наукой. Она рассматривает различные физико-химические процессы с помощью математического аппарата, т.е. количественно описывает их и опирается при этом на четыре исходных постулата – основные начала (основные законы) термодинамики.

Эти законы можно считать твердо установленными фундаментальными законами природы, поскольку многовековой житейский, производственный и научный опыт человечества показал, что процессы, противоречащие этим законам, никогда не наблюдаются.

Термодинамика — раздел физики, в котором изучаются процессы изменения и превращения внутренней энергии тел, а также способы использования внутренней энергии тел в двигателях. Термодинамика является дедуктивной наукой, то есть идущей от общего к частному. Она основывается на некоторых положениях – постулаты и начала.

Первый постулат термодинамики. Изолированная система с течением времени приходит в состояние равновесия и самопроизвольно выйти из него не может.

Второй постулат термодинамики. Его часто называют нулевым началом термодинамики. Приведем несколько формулировок этого постулата:

Все тела при термическом равновесии обладают температурой;

Если две системы находятся в состоянии термодинамического равновесия с некоторой третьей системой, то они находятся в состоянии равновесия и друг с другом;

Все равновесные внутренние параметры системы являются функциями внешних параметров и температуры.

Основные определения

Одним из важнейших законов, лежащих в основе термодинамики, является первый закон или первое начало термодинамики. Перед тем как разобраться в его сути, дадим несколько определений:

Термодинамический процесс - изменение состояния системы, характеризующееся изменением её термодинамических параметров. Все термодинамические процессы можно разделить на равновесные и неравновесные.

Равновесный процесс – термодинамический процесс, представляющий собой непрерывную последовательность равновесных состояний.

Неравновесный процесс – термодинамический процесс, представляющий последовательность состояний, среди которых не все состояния являются равновесными. Термодинамика имеет дело с равновесными процессами, однако осуществить такой процесс реально на практике невозможно, так как любой реальный процесс является в большей или меньшей степени неравновесным.

Энергия – мера способности системы совершать работу.

Внутренняя энергия - весь запас внутренней кинетической и потенциальной энергии вещества без кинетической и потенциальной энергии всей системы. Внутренняя энергия обозначается символом U. Абсолютное значение внутренней энергии определить невозможно даже для простейших систем. Однако для целей термодинамики этого и не требуется. Важно количественно определить изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое:

Величина внутренней энергии системы считается положительной, если в рассматриваемом процессе она увеличивается. В равновесном состоянии система обладает определённым запасом энергии, поэтому внутренняя энергия является функцией состояния.

Формулировка первого начала термодинамики

Первый закон термодинамики - это закон сохранения энергии. Впервые этот закон был четко сформулирован Германом Гельмгольцем в 1847 году. Существуют несколько формулировок первого закона термодинамики. Если одна из них принимается в качестве основной, то все другие являются следствиями, вытекающими из нее.

Первая формулировка звучит следующим образом: 

«Энергия не создается и не уничтожается. Возможны лишь превращения энергии из одного вида в другой в строго эквивалентных количествах».

     Следствием из этого закона является то, что невозможен вечный двигатель первого рода, то есть нельзя создать такой двигатель, который совершил бы работу без затраты энергии; внутренняя энергии изолированной системы есть величина постоянная; энергия не исчезает бесследно и не возникает из ничего, переход её из одного вида в другой происходит в строго эквивалентных количествах.

Первый закон термодинамики для открытой системы в интегральной форме записывается так:

где – изменение внутренней энергии системы;

Q – теплота процесса;

A – работа процесса;
Z – энергия переноса массы.

Дифференциальная форма записи:, где знак означает, что выражения , и не являются полными дифференциалами.

Для закрытой системы в интегральной форме этот закон можно записать в следующем виде:

В дифференциальной форме:

Применение первого начала термодинамики к различным процессам

Рассмотрим изохорный процесс. Изохорным процессом в термодинамике называют процесс, происходящий при постоянном объеме. В изохорном процессе объем V является константой, следовательно, газ работы не совершает A = 0

Из этого выходит следующая формула:

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры. При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).

Рассмотрим изобарный процесс. Изобарным процессом называется термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении и массе газа. Следовательно, в изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается следующим уравнением первого закона термодинамики:

При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, ; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

Рассмотрим изотермический процесс. Процесс, происходящий с газом неизменной массы при постоянной температуре называется изотермическим. При изотермическом процессе (Т = const) внутренняя энергия идеального не меняется. Всё переданное газу количество теплоты идёт на совершение работы: Q = А,

Если газ получает тепло (Q > 0), то он совершает положительную работу (А > 0). Если, напротив, газ отдаёт тепло окружающей среде (термостату), то Q < 0 и А < 0. Работа же внешних сил над газом в последнем случае положительна.

Рассмотрим адиабатный процесс. Адиабатный процесс - это процесс, при котором теплообмен газа с окружающей средой отсутствует (либо газ находится в теплоизолированном сосуде, либо процесс его расширения или сжатия происходит очень быстро). В таком процессе газ не получает и не отдаёт количества теплоты и Q = 0. Тогда первый закон термодинамики будет иметь вид:

Прикладное значение первого начала термодинамики

Первый закон термодинамики является универсальным законом природы. Он полностью справедлив и для живых организмов. Протекание процессов в живом организме требует затраты энергии. Она необходима для мышечной деятельности и, в частности, для работы сердца и поддержания постоянной температуры тела. Даже в состоянии покоя человек массой 80 кг отдает окружающей среде 1200 ккал в сутки. Для нормальной жизнедеятельности необходимы потоки веществ из одной части организма в другие. Транспорт этих веществ также требует затраты энергии. В организме совершается и электрическая работа, необходимая для передачи нервных импульсов. Термохимия позволяет составить баланс энергии в живом организме. (Опыты Лавуазье, Лапласа –1780г., на морских свинках – измеряя количество СО 2 и тепла, выделяемого ею, показали, что окисление в организме и прямое сжигание питательных веществ дают близкие тепловые эффекты. Позже У. Этуотер, 1904г. показал на опыте с человеком в калориметре его энергетический суточный баланс).

Наличие энергетического баланса для живого организма показывает, что организм не является источником новой энергии, а подчиняется первому началу термодинамики.

Для изучения тепловых эффектов процессов денатурации белков, взаимодействия их с ионами металлов и ионами гидроксония в организме в последнее время успешно применяется микрокалориметрия. Поскольку тепловые эффекты этих процессов очень малы, (так, теплота денатурации ДНК ( переход спираль-клубок) составляет всего лишь 4 ккал на моль), и концентрация этого биополимера в исследуемом объеме очень мала, тепловой эффект измерить возможно только на сверхчувствительном микрокалориметре. Такие приборы - дифференциальные сканирующие микрокалориметры - были сконструированы нашими учеными в академгородке Пущино, под руководством академика Привалова.

Первое начало термодинамики имеет огромное значение в этой науке. Вообще понятие внутренней энергии вывело теоретическую физику 19 века на принципиально новый уровень. Появились такие понятия как термодинамическая система, термодинамическое равновесие, энтропия, энтальпия. Кроме того, появилась возможность количественного определения внутренней энергии и её изменения. Это привело учёных к пониманию самой природы теплоты, как формы энергии.

Первый закон универсален, он применим ко всем без исключения тепловым процессам в любых системах. Этот закон не дает детальной информации о ходе процесса, но позволяет составить уравнение баланса, если заранее известно, какие энергетические превращения происходят в рассматриваемой системе.

Совершение внешними силами механической работы над системой также может не сопровождаться изменением ее внутренней энергии. Если сжимать идеальный газ, принимая меры к тому, чтобы его температура при этом не увеличивалась, то внутренняя энергия газа останется без изменения, а окружающим телам перейдет некоторое количество теплоты, равное совершенной над газом при его сжатии работе.

Первое начало дает математическое выражение количественной стороны закона сохранения и превращения энергии в термодинамических системах, позволяет решать множество прикладных задач, таких как:

Определение теплоёмкостей макросистем в различных процессах и установление связей между ними.

Вывод уравнений различных процессов.

Вычисление показателей эффективности тепловых машин.

Расчёт теплового эффекта химических реакций.

Первый закон термодинамики применим к жизненным процессам, так как все биологические организмы нуждаются в энергии для выживания. Для выполнения различных функций растительной клетке организма необходима энергия, которая поглощается при фотосинтезе. Помимо фотосинтеза, клетка может получить энергию путем клеточного дыхания. Клетка получает энергию, которая хранится в глюкозе. Эта энергия необходима ей для выполнения таких процессов как: движение, деление, синтез макроэргических соединений и так далее. Метод калориметрии позволил установить, что количество энергии, поглощенной организмом за сутки вместе с питательными веществами, равно выделенной за это же время теплоте.

Энергетический баланс организма находится в полном соответствии с законом сохранения энергии, и никаких специфических источников жизни не существует. Теплота, выделяющаяся из организма, равна теплоте, найденной путем подсчета по окислению веществ. Важно учитывать, что:

Биологические системы обмениваются со средой энергией и массой;

Процессы в живых организмах, в конечном счете, необратимы;

Живые системы не находятся в равновесном состоянии;

Все биологические системы гетерогенны, многофазны.

В живых организмах вместо термодинамического равновесия наступает стационарное состояние, которой характеризуется не равенством прямого и обратного процессов, а тем, что в нем постоянны скорость химических изменений и отвод метаболитов. Стационарное состояние - состояние термодинамической системы, при котором значения термодинамических величин во всех частях системы остаются неизменными во времени.

Список литературы

Физическая химия. А.Г. Стромберг, Д.П. Семченко. Москва, 1999.

Электронный учебник Физическая химия. Химическая термодинамика. Данилин В.Н., Шурай П.Е., Боровская Л.В. Краснодар, 2010.

Электронный умкд "физическая и коллоидная химия: учебно-методический комплекс дисциплины для специальностей технологическогонаправления" Боровская Л.В. ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР». Москва, 2010.

Транспортировка и хранение скоропортящихся пищевых продуктов. Данилин В.Н., Петрашев В.А., Боровская Л.В. Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 1996. № 1-2 (230-231). С. 74.

Ягодовский, В.Д. Статистическая термодинамика в физической химии / В.Д. Ягодовский. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. - 495 c.

Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Т.2. Термодинамика и молекулярная физика: Учебное пособие / Д.В. Сивухин. - М.: Физматлит, 2014. - 544 c.

Кудинов, В.А. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебник для академического бакалавриата / В.А. Кудинов, Э.М. Карташов, Е.В. Стефанюк. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 442 c.

Белов, Г.В. Термодинамика в 2 ч. Часть 1: Учебник и практикум для академического бакалавриата / Г.В. Белов. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 264 c.

Код для цитирования: Скопировать