Основы термодинамики

Карагандинский  государственный технический университет 
 

            Тема : " Основы термодинамики " 
 
 

                                                             Студенты группы МВ - 10 - 2

                                                                         Дорошенко Виктория

                                                                                Сатпеисова Айсулу

                                                                 Научный руководитель

                                                                    д. х. н. проф.Налибаев Т.

                                                 кафедра ПЭиХ 
 
 
 
 
 

Караганда. 2010

Содержание                                                                                                                      с. 

Введение..........................................................................................................1

1.Термохимия..................................................................................................2                                                                     

2.Химическая  термодинамика.......................................................................4                                           

2.1.Первое  начало термодинамики........................................................4

2.2.Второе  начало термодинамики........................................................7                               

3.Работы Гиббса..............................................................................................9                                                                 

Вывод.............................................................................................................12

Литература....................................................................................................13                                                                         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

Чем глубже проникают  исследователи в тайны природы, тем больше стираются границы между отдельными областями науки и тем труднее дать точное определение и разграничение отдельных дисциплин. Это в полной мере относится к предмету термодинамики. Рассматривая взаимные превращения тепла и различных видов энергии, термодинамика представляет собой дисциплину, или скорее даже метод, который очень широко используется физиками, химиками и исследователями в других областях науки для установления внутренней связи между различными явлениями природы и обобщения накопленного экспериментального материала. Поскольку энергетические превращения сопутствуют всем материальным изменениям и энергия характеризует меру движения материи, а движение представляет собой неотъемлемое свойство материи и основную форму ее существования, то область приложения термодинамики охватывает огромное количество физических и химических явлений.

  Заметим, что термодинамика является дедуктивной  наукой. Она рассматривает различные проблемы с помощью математического аппарата и опирается при этом на три исходных положения—основные начала (или законы) термодинамики, которые в свою очередь основаны на многочисленных наблюдениях различных исследователей. Термодинамический метод применяется для решения самых разнообразных  проблем различных областей науки. Обычно при рассмотрении содержания термодинамики и ее приложений выделяют общую, техническую и химическую термодинамику. Общая термодинамика излагает основные начала термодинамики и непосредственно вытекающие из них следствия. При этом наиболее широко используются дифференциальные уравнения и 
частные производные. Техническая термодинамика включает применение тех же законов и их следствий к тепловым двигателям. Наконец, содержание химической термодинамики состоит в применении термодинамического метода к изучению химических процессов. Она изучает превращения тепла, связанные с химическими реакциями и агрегатными превращениями. При этом формулируются закономерности, позволяющие определять направление и предел протекания этих процессов. Химическая термодинамика оказывается весьма плодотворной при решении 
вопроса об устойчивости химических продуктов, а также при отыскании способов, предотвращающих образование нежелательных веществ; она же позволяет указать рациональные значения температуры, давления и прочих параметров для осуществления химических процессов, определить пределы фракционной дистилляции и кристаллизации, а также полезна при решении многих других металлургических и технологических задач.

  С помощью  термодинамики химическая наука  за последнее время продвинулась намного вперед, перешагнув за тесные рамки эмпиризма и выйдя на более широкую дорогу теоретического анализа, дающего как новые широкие обобщения, так и возможность предвидения основных характеристик химических процессов.  

  1.Термохимия.

  Любые химические   процессы,   а   также   физические превращения веществ  (испарение, конденсация, плавление и т. п.)  всегда сопровождаются либо выделением, либо поглощением энергии в той или иной форме (чаще всего в виде   теплоты). Для   сопоставления   изменения энергии при различных реакциях пользуются величиной теплового эффекта реакции, т. е. количеством   теплоты,  которое выделяется или поглощается в химическом процессе при условии равенства начальной и конечной температуры.

  Изучением тепловых эффектов химических реакций, а также процессов перехода веществ из одного агрегатного состояния в другое или одной кристаллической формы в другую занимается раздел физической химии и химической термодинамики — термохимия.

  Термохимия  также изучает теплоемкости веществ  и физико-химических систем и зависимость теплоемкости от температуры.

  Возникновение термохимии произошло задолго до создания термодинамики и ее приложения к химическим превращениям – химической термодинамики. Сначала она представляла собой раздел химии, занимающийся изучением  тепловых эффектов химических реакций. В настоящее время термохимия составляет обширный раздел химической термодинамики, располагающий опытным материалом по теплотам реакций и занимающийся их систематикой и формулировкой общих закономерностей.

  Термохимия  как наука развивалась на протяжении многих лет.  

  Блек, а  вслед за ним и другие исследователи, использовали открытие скрытой теплоты плавления льда для разработки способа измерения количества теплоты. Если тело отдает теплоту льду, находящемуся при температуре его плавления, то количество отданной теплоты прямо пропорционально массе растаявшего льда. Еще в первой половине XIX в. за единицу количества теплоты принимали то ее количество, которое расплавляет единицу массы льда. Исходный лед и образовавшаяся из него вода должны, понятно, находиться при температуре плавления льда.

  Лавуазье  и Лаплас, усовершенствовав ледяной  калориметр, измерили (1782—1784гг.) количество теплоты, выделявшейся при многочисленных химических реакциях. Им же принадлежит и дальнейшее обобщение положения о сохранении количества теплоты: при обратном течении химической реакции поглощается то же количество теплоты, которое выделяется при ее прямом   течении.

  Лавуазье  и Лаплас выяснили также причину  выделения теплоты животными.  Они измерили  в  ледяном  калориметре  количество теплоты, выделившейся при окислении кислородом пищи животного,  и количество теплоты,  выделенной морской свинкой при ее дыхании. Количества теплоты, отнесенные к единице массы двуокиси углерода, образовавшейся при окислении пищи, — в одном случае, и выдохнутой морской свинкой—в другом случае, Пыли одного и того же порядка. Лучшему совпадению значений препятствовало уже то обстоятельство,  что Лавуазье и Лаплас не учитывали теплоты, выделяемой при окислении водорода. Тем не менее, даже примерное совпадение значений свидетельствовало о  том,   что  выделение  теплоты  животным  вызвано  окислением пищи   в  организме  животного   кислородом.

  Открытие  Лавуазье и Лапласа позволило  объяснить различие в цвете артериальной и венозной крови. В сороковых годах XIX в. размышление над этим различием явилось исходным пунктом, приведшим Р. Майера к открытию принципа эквивалентности.

  Вершиной  калориметрических исследований в XIX в. было открытие Г. Гессом (1840 г.) закона постоянства тепловых сумм. «Если образуется соединение, то количество выделившейся теплоты является постоянным, независимо от того, образуется ли соединение непосредственно или через промежуточные соединения». Гесс поясняет открытый им закон на примере количества теплоты, выделяемой при окислении углеводорода: «Сумма тепла, которая соответствует определенному количеству воды и углекислоты, образующихся при горении угля, постоянна, а потому очевидно, что, если водород был ранее связан с углеродом, то это соединение не могло произойти без выделения тепла; это количество теплоты уже исключается и не может содержаться в той теплоте, которая выделяется при окончательном сгорании угля. Отсюда следует весьма простое практическое правило: горючее, сложное по своему составу, всегда выделяет меньше тепла, чем его составные части, отдельно взятые»..

  Закон Гесса является дальнейшим обобщением и завершен положения о сохранении количества теплоты. Если бы это положение  было   справедливо всегда,   а  не только  при определенных условиях проведения процесса, то теплота была бы свойством системы.  Количество теплоты, выделяемой при любом процессе, зависело бы тогда от начального и конечного состояний системы, не от ее промежуточных состояний; другими словами, количество выделяемой теплоты не зависело бы от пути перехода.

  Гесса Г.И. можно по праву назвать одним  из основоположников термохимии. Доктор медицины, академик Российской Академии наук в Петербурге, один из основателей  Петербургского технологического института, он в результате обширных экспериментальных исследований в 1836 г. установил, а в 1840 г. опубликовал свой закон сохранения постоянства сумм теплот. В 1841 г. им же установлен закон термонейтральности.

  Нельзя  не отметить и других ученых. Классические исследования в области термохимии принадлежат французскому ученому М. Бертло и русскому ученому В. Ф. Лугинину.

  Термохимия  имеет большое прикладное значение. Термохимические данные используют при составлении тепловых балансов различных технологических процессов. Знание тепловых эффектов физических и химических процессов, лежащих в основе данного производства, позволяет производить расчеты обогрева или охлаждения производственной аппаратуры. 
 
 

  2.Химическая  термодинамика.

  Термодинамика — наука, изучающая превращения различных форм энергии друг в друга и устанавливающая законы этих превращений.

  Как самостоятельная дисциплина термодинамика  возникла в середине XIX в. на основе изучения работы паровых машин.

  В дальнейшем круг вопросов, изучаемых термодинамикой, значительно расширился. В настоящее время термодинамика рассматривает большое количество физических и химических явлений, сопровождающихся энергетическими эффектами. На основе законов термодинамики изучаются, например, работа холодильных машин, процессы в компрессорах, в двигателях внутреннего сгорания, в реактивных двигателях, процессы при электролизе, работе гальванических элементов, при проведении различных химических реакций. Исследования методами термодинамики позволяют не только подводить энергетические балансы, но также определять, в каком направлении и до какого предела могут протекать процессы при заданных условиях. Термодинамика, таким образом, дает возможность сознательно управлять различными физико-химическими процессами производства.

  Применение  термодинамики к химическим процессам составляет предмет химической термодинамики. Химическая термодинамика изучает не только соотношение между химической и другими видами энергии, но и другие вопросы; она исследует возможности направления и предел самопроизвольного протекания химического процесса в данных условиях и устанавливает условия равновесия химических реакций. Все эти и другие вопросы химическая термодинамика рассматривает не только при изучении гальванистическоо элемента, процессов электролиза и других, протекающих в растительных и животных организмах.