Студопедия — Второе начало термодинамики. Одной из важнейших задач химической термодинамики яв­ляется выяснение принципиальной возможности (или невоз­можности) самопроизвольного протекания химической
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Второе начало термодинамики. Одной из важнейших задач химической термодинамики яв­ляется выяснение принципиальной возможности (или невоз­можности) самопроизвольного протекания химической






Одной из важнейших задач химической термодинамики яв­ляется выяснение принципиальной возможности (или невоз­можности) самопроизвольного протекания химической реакции в рассматриваемом направлении. В тех случаях, когда стано­вится ясно, что данное химическое взаимодействие происходить может, необходимо определить степень превращения исходных веществ и выход продуктов реакции, то есть полноту протекания реакции.

Предложены два метода определения возможности и на­правления протекания самопроизвольных процессов: метод фак­торов интенсивности и метод термодинамических функций.

- Метод факторов интенсивности. Интенсивными называются те свойства системы, которые не зависят от массы или количества вещества: температура, давление, концентрации и др. Согласно этому ме­тоду, самопроизвольно процессы могут протекать в направлении выравнивания факторов интенсивности (охлаждение - выравни­вание температуры, диффузия газов - выравнивание давления или концентрации). Равновесию соответствует состояние, в кото­ром значения фактора интенсивности одинаковы для всех частей системы. Однако данный метод имеет ограничения, он неприме­ним к однородным системам.

- Метод термодинамических функций. В соответствии с этим методом, самопроизвольно может протекать лишь тот про­цесс, в ходе которого определенная термодинамическая функция достигает своего экстремального значения (минимума или мак­симума). Причем экстремум характерен для состояния равнове­сия системы. Для каждого конкретного случая подбирается своя функция, которая в ходе самопроизвольного процесса либо рас­тет, либо уменьшается, достигая своего экстремального значения к моменту достижения системой состояния равновесия. Этот ме­тод является более общим подходом.

Термохимические исследования показывают, что большин­ство химических реакций сопровождается экзотермическим эф­фектом. Так, например, стандартная теплота образования более чем 90 % неорганических соединений имеет отрицательное зна­чение (Δ Hf < 0). Следовательно, большая часть химических со­единений обладает меньшей энергией, чем суммарный запас энергии простых веществ, из которых получены сложные веще­ства. Основываясь на этом наблюдении, предположили, что реакция идет в том направлении, которое сопровождается выделением теплоты (принцип Бертло-Томсена).Однако существование эн­дотермических реакций говорит о том, что величина теплово­го эффекта не может служить универсальным критерием для выбора направления самопроизвольного процесса. Более того, в рамках первого начала термодинамики дать ответы на все эти вопросы не представляется возможным.

Направление протекания самопроизвольного процесса можно определить на основе второго закона или начала термодинамики, сформулированного, например, в виде постулата Клаузиуса:

Теплота сама собой не может переходить от холодного тела к горячему, т. е. невозможен такой процесс единственным резуль­татом которого был бы переход теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой.

Предложено множество формулировок второго начала термо­динамики. Формулировка Томсона - Планка:

Невозможен вечный двигатель второго рода, т. е. невозмож­на, такая периодически действующая машина, которая бы позволяла получать работу только за счет охлаждения источника тепла.

2. 3. 1. Термодинамически обратимые и необратимые процессы.

В термодинамике используется понятие обратимых (или квазистатических) процессов. Термодинамическое понятие обратимого процесса не связано с направлением процесса (реакции), оно лишь указывает на определенный способ проведение процесса (реакции).

Обратимым называется процесс, который осуществляется таким образом, что имеется возможность возвращения системы в исходное состояние через те же самые промежуточные квазиравновесные состояния, которые он проходил в прямом направлении, и при этом ни в самой системе, ни в окружающей среде не остается никаких стойких изменений.

В необратимом процессе нет возможности возвращения системы в исходное состояние через те же самые промежуточные состояния.

Термодинамически обратимыми можно, например, считать процессы:

· сжатия (расширения) идеального газа, когда внешнее дав­ление лишь на бесконечно малую величину отличается от давления газа;

· нагревания или охлаждения системы, если температура ис­точника тепла - нагревателя отличается от температуры теплоприемника - холодильника на бесконечно малую величину.

Термодинамически обратимые процессы могут протекать лишь бесконечно медленно, поскольку предполагается, что система в ходе таких процессов проходит через непрерывный последовательный ряд равновесных состояний. При обратимом протекании процесса работа является максимальной.

В необратимом процессе нет возможности возвращения системы в исходное состояние через те же самые промежуточные состояния.

Работа и теплота процесса зависит от того, как протекает процесс (обратимо или необратимо). Те­плота процесса, равная, согласно I началу термодинамики

,

в обратимом процессе будет больше, чем в необратимом

,

по­скольку

Все самопроизвольные процессы протекают необратимо.

 

2. 3. 2. Математическое выражение второго начала термодинамики. Энтропия.

Математическая формулировка второго начала термодинамики возникла при анализе работы тепловых машин в трудах Н. Карно и Р. Клаузиуса.

Клаузиусом была введена функция состояния S, названная энтропией, изменение которой равно теплоте обратимого процесса, отнесенной к температуре

Так как

Для любого процесса

Полученное выражение представляет собой математическое выражение второго начала термодинамики.

 

2. 3. 2. 1. Энтропия и термодинамическая вероятность

Значение всех термодинамических параметров (давления, темпера­туры, концентрации, плотности и др.) являются усредненным резуль­татом беспорядочного (хаотичного) движения бесконечно большого числа частиц, из которых образованы все тела. Эти параметры теряют смысл в применении к одной или нескольким частицам.

Термодинамическую систему можно рассматривать как с точки зрения ее макросостояния, характеризуемого значениями макропара­метров (Р - давления, Т - температуры, V - объёма, С -концентрации), так и с позиций ее микросостояния, задаваемого координатами и скоро­стями движения отдельных частиц, составляющих систему. Одно и то же макросостояние можно реализовать различным набором микро­состояний.

В термодинамике используется понятие термодинамической ве­роятности (W), которая равна числу микросостояний, отвечающих данному макросостоянию. Понятно, что в отличие от математической вероятности, которая всегда меньше или равна единице, термодинамическая вероятность меньше единицы быть не может, т. е. W ≥ 1, и является целым и при обычных температурах очень большим числом. Чем больше микросостояний соответствующих данному макросостоянию, тем больше хаотичность (беспорядок) в системе.

Энтропию с термодинамической вероятностью связывает уравнение Больцмана:

,

где k – константа Больцмана.

Из уравнения Больцмана следует, что чем больше хаотичность в системе, тем больше энтропия. Таким образом, энтропия характеризует степень неупорядоченности в системе.

 

2. 3. 2. 2. Изменение энтропии как критерий направления процессов.

Для изолированной системы δ Q = 0, поэтому dS ≥ 0. Всякий реальный самопроизвольный процесс всегда является необратимым и для него

dS > 0

Следовательно, энтропия может играть роль критерия для выбора направления протекания самопроизвольного процесса. Если изменение энтропии для процесса в изолированной системе больше нуля (энтропия возрастает), то такой процесс может протекать самопроизвольно. Самопроизвольный процесс приводит систему в состояние равновесия, и энтропия при этом достигает своего максимального значения. Таким образом, введение в термодинамику энтропии как функции состояния, позволяет сделать очень важный вывод, который следует из математической формулировки второго начала термодинамики:







Дата добавления: 2014-11-12; просмотров: 1515. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Расчетные и графические задания Равновесный объем - это объем, определяемый равенством спроса и предложения...

Кардиналистский и ординалистский подходы Кардиналистский (количественный подход) к анализу полезности основан на представлении о возможности измерения различных благ в условных единицах полезности...

Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями...

Композиция из абстрактных геометрических фигур Данная композиция состоит из линий, штриховки, абстрактных геометрических форм...

ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКОЙ ПОМОЩИ НАСЕЛЕНИЮ В УСЛОВИЯХ ОМС 001. Основными путями развития поликлинической помощи взрослому населению в новых экономических условиях являются все...

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ МОРФЕМНОГО СОСТАВА СЛОВА В НАЧАЛЬНЫХ КЛАССАХ В практике речевого общения широко известен следующий факт: как взрослые...

СИНТАКСИЧЕСКАЯ РАБОТА В СИСТЕМЕ РАЗВИТИЯ РЕЧИ УЧАЩИХСЯ В языке различаются уровни — уровень слова (лексический), уровень словосочетания и предложения (синтаксический) и уровень Словосочетание в этом смысле может рассматриваться как переходное звено от лексического уровня к синтаксическому...

Тема 5. Анализ количественного и качественного состава персонала Персонал является одним из важнейших факторов в организации. Его состояние и эффективное использование прямо влияет на конечные результаты хозяйственной деятельности организации.

Билет №7 (1 вопрос) Язык как средство общения и форма существования национальной культуры. Русский литературный язык как нормированная и обработанная форма общенародного языка Важнейшая функция языка - коммуникативная функция, т.е. функция общения Язык представлен в двух своих разновидностях...

Патристика и схоластика как этап в средневековой философии Основной задачей теологии является толкование Священного писания, доказательство существования Бога и формулировка догматов Церкви...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.01 сек.) русская версия | украинская версия