Свойства термодинамической системы

Системе присущи такие свойства, как объем V, давление р, температура Т, концентрация с_i, теплоемкость С_р или C_V, внутренняя энергия U, а совокупность свойств определяет состояние системы. Если изменилось состояние системы, изменяются её свойства. Изменение состояния системы называется процессом. Подчеркнем, что изменение свойств не зависит от пути перехода системы из начального состояния в конечное.

Между свойствами системы существуют определенные функциональные связи.Например, уравнение состояния идеального газа связывает свойства таким образом, что любое из них можно определить, если известны другие.

Важнейшими понятиями в термодинамике являются внутренняя энергия, теплота, теплоемкость, работа. Обмен внутренней энергией U термодинамической системы (в дальнейшем термодинамическую систему будем называть просто системой) с окружающей средой осуществляется либо в форме работы А, либо в форме теплоты Q, либо одновременно в обеих формах. Подчеркнем, что термодинамика рассматривает только две формы передачи энергии – теплоту и работу и не рассматривает, например, обмен системы энергией с окружающей средой посредством электромагнитного излучения.

 

Внутренняя энергия

Полная энергия системы включает:

1) энергию направленного перемещения системы в пространстве как целого;

2) энергию системы в гравитационном и электромагнитном полях;

3) внутреннюю энергию системы U.

В химии рассматривают неподвижные системы в постоянном внешнем поле. В таких условиях изменение энергетического состояния системы определяется изменением её внутренней энергии U.

Внутренняя энергия U есть сумма кинетической

S Е _кин. и потенциальной S Е _пот. энергии всех микрочастиц системы.

U = S Е _кин. + S Е _пот.

Кинетическая энергия как составляющая часть внутренней энергии – это энергия различного вида движения микрочастиц системы. Потенциальная энергия как составляющая внутренней энергии – этоэнергия межмолекулярного и внутримолекулярного взаимодействия.

Например, нагревание жидкой воды до температуры кипения увеличивает кинетическую энергию системы (скорость движения молекул). Когда жидкость кипит при постоянной температуре и давлении (р, Т = const), кинетическая энергия не увеличивается, несмотря на то, что нагреватель продолжает передавать энергию в форме теплоты системе (жидкость – пар). Энергия нагревателя расходуется на увеличение потенциальной энергии S Е _пот. пара, равной теплоте испарения Q _исп.. Для отрыва молекул с поверхности жидкости требуется затратить энергию нагревателя, чтобы преодолеть силы межмолекулярного сцепления в жидкой воде. Температура не будет изменяться, пока не испарится последняя капля жидкости.

Химическая реакция, например реакция горения водорода в кислороде в калориметрической бомбе, позволяет превратить потенциальную энергию (энергию притяжения и отталкивания химически связанных атомов в молекулах) в кинетическую энергию (энергию движения молекул продуктов реакции).

Важным свойством идеального газа является независимость его внутренней энергии от объема и давления

и .

Этот факт экспериментально был доказан Джоулем. Из опытов Джоуля следует, что внутренняя энергия идеального газа является функцией только температуры:

. (4.7)

Если система в начальном состоянии обладала внутренней энергией U ₁ при температуре Т ₁ и перешла в конечное состояние U ₂ при температуре Т ₂, то изменение внутренней энергии будет определяться разностью:

D U = U ₂ - U ₁ (4.8)