Форма обмена энергии с окружающей средой
При протекании термодинамических процессов внутренняя энергия системы может увеличиваться или уменьшаться. В первом случае говорят, что система поглотила часть энергии из внешней среды, во втором случае, наоборот – передала часть своей энергии в окружающую среду. Существуют две основные формы (способа) обмена энергией между системой и внешней средой: теплота и работа.
Теплота – это процесс обмена энергией через неупорядоченное хаотическое движение структурных единиц вещества: молекул, ионов.
Из данных частиц состоит как сама система, так и ее граница раздела (стенки системы), а также окружающий систему внешний мир. В результате столкновения частиц системы и внешнего мира с частицами, образующими стенки, энергия одного коллектива частиц (например, частиц системы), может возрасти, а другого коллектива (расположенного во внешнем мире), соответственно, уменьшиться. Микроскопический механизм этого процесса состоит в обмене энергией при каждом единичном столкновении частиц. Пользуясь макроскопическими понятиями, говорят, что какая-то порция энергии перешла в систему из окружающей среды в форме теплоты.
Система может обмениваться энергией с окружающей средой в форме теплоты и без столкновения молекул, путем поглощения или излучения лучистой энергии. В этом случае излучение или поглощение единичного кванта есть аналог единичного столкновения частиц. Обмен макроскопическими порциями энергии есть результат излучения либо поглощения огромного числа квантов.
Под термином «теплота» часто понимают не сам процесс, а количество передаваемой таким способом энергии (Q).
Если система получает из внешнего мира некоторое количество энергии в форме теплоты, то Q считают положительной величиной. При переходе энергии в противоположном направлении величину Q считают отрицательной (рис. 6).
Работа – это процесс обмена энергией в результате организованного макроскопического перемещения частей системы друг относительно друга или макроскопического изменения свойств системы либо ее частей. Работа может быть механической, электрической, химической.
Примером механической работы является расширение или сжатие системы, примером электрической работы является перенос заряда в электрическом поле.
Мерой количества механической работы служит произведение действующей силы (точнее, проекции силы на направление движения) на величину перемещения (l). Если действующая сила (F) при этом перемещении остается постоянной, то работа (А) определяется следующим образом:
Работа может совершаться внутренними силами системы против внешних сил, т.е. над окружающей средой (расширение системы) или, наоборот, внешними силами против внутренних (сжатие системы).
В первом случае она считается положительной величиной (при этом энергия переходит из системы во внешнюю среду). Во втором – отрицательной (энергия переходит из внешней среды в систему) (рис. 6).
Рис. 6. Соглашение о знаках работы и теплоты
Следует учитывать, что энергия открытых систем может изменяться не только за счет совершения работы или передачи теплоты, но еще и третьим способом – за счет перехода в систему из окружающей среды (или наоборот) некоторого количества вещества. В результате этого число молекул того или иного вида в системе изменяется, а, следовательно, изменяется сумма кинетической и потенциальной энергии частиц, т.е. изменяется общий запас энергии в системе.
Процесс обмена энергией системы и окружающей среды только в форме теплоты, т.е. через хаотическое движение частиц вполне реален. Для этого достаточно окружить систему, заключенную в жесткую (непроницаемую для вещества) оболочку, средой с более высокой или более низкой температурой.
В тоже время, невозможно реализовать ни один процесс, в котором обмен энергией совершался бы только в форме работы. Тепловое движение частиц в любой системе существует, и поэтому неизбежен обмен энергией также и в форме теплоты. Кроме того, всякое механическое перемещение частей системы обязательно сопровождается трением, а это тоже означает участие тепловой формы обмена энергией при механических процессах.
В термодинамике часто вводится представление о том, что система может быть окружена идеально нетеплопроводными стенками, непрозрачными также и для лучистой энергии. В этом случае обмен энергией с окружающей средой в форме теплоты невозможен, но совершение работы над системой возможно. Такие системы называются адиабатными системами, а процесс их перехода из одного состояния в другое называют адиабатным процессом.
В отличие от внутренней энергии, теплота и работа зависят от пути или способа совершения процесса и поэтому функциями состояния не являются. В связи с этим определяют абсолютные значения Q и А, а не их изменения.
Первое начало термодинамики.
Тепловые эффекты химических реакций
Одним из важнейших законов природы является закон сохранения энергии, который в общем виде был сформулирован в середине ХVIII в. М. В. Ломоносовым, а впоследствии был экспериментально доказан Ю.Р. Майером, Дж.П. Джоулем и Г.Л. Гельмгольцем.
Михаил Васильевич Ломоносов (1711 – 1765)
Ломоносов впервые определил химию как науку «об изменениях, происходящих в смешанном теле». Эту науку Ломоносов представлял себе как химические факты, объединенные математическим способом изложения и приведенные в систему на основе представлений о строении вещества. Точные опыты с чистыми веществами, с применением «меры и весов», должны сопровождаться теоретическим анализом результатов. Опередив на десятилетия своих современников, Ломоносов разработал корпускулярную теорию строения вещества, предвосхитившую современное атомно-молекулярное ученые.
Ломоносов считал своей «главной профессией» химию, но он был в то же время и первым замечательным русским физиком. Ясно представляя необходимость тесной связи между химией и физикой, он считал, что химию следует изучать при помощи физики и что химические анализы могут получить правильное истолкование только на основе физических законов. Применяя физику для объяснения химических явлений, Ломоносов заложил основы новой науки – физической химии.
По этому закону во всех явлениях природы энергия не может исчезнуть бесследно или возникнуть из ничего. Энергия может только превращаться из одной формы в другую в строго эквивалентных соотношениях. Этот закон является универсальным и подтверждается всем опытом человечества.
Частным случаем закона сохранения энергии в применении к процессам, сопровождающимся тепловыми явлениями, выступает первое начало (или первый закон) термодинамики, который можно сформулировать следующим образом: подведенное к системе тепло Q идет на увеличение ее внутренней энергии ΔU и на совершение системой работы А против внешних сил:
Система может переходить из одного состояния в другое различными путями. Но в соответствии с законом сохранения энергии изменение внутренней энергии ΔU системы не зависит от пути перехода: оно одинаково во всех случаях, если одинаковы начальное и конечное состояния системы. Количество же теплоты и количество работы зависят от этого пути. Однако, как бы не менялись значения Q и А при разных путях перехода системы из одного состояния в другое, их алгебраическая сумма будет всегда одинаковой, если только одинаковы начальное и конечное состояния системы.
На основании первого начала термодинамики можно сделать несколько важных выводов.
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.003 с) .
Источник
Виды обмена энергии системы с окр средой
Предмет термодин.Хим термодин.
термодинамика – наука о превращении теплоты и энергии при различных физико-химических явлениях
ПР: выделение-поглощение теплоты при испарении-кристаллизации-растворении-адсорбции
химическая термодинамика — наука о превращении теплоты и энергии при хим.реакциях
ПР: тепловые эффекты при хим.реакциях
предмет изучения термодинамики – термодинамические системы
Понятие термодин системы.
термодинамическая система – тело или группа взаимодействующих тел, выделенных из окружающей среды
термодинамическая система имеет реальную или воображаемую границу, отделяющую ее от окружающей среды
термодинамическая система – это макросистема, состоящая из множества структурных элементов
ПР: газ в цилиндре есть термодинамическая система, состоящая из множества молекул газа
Системы гомогенные,гетерогенные.
по структуре различают:
в которых структурные элементы распределены равномерно(свойства одинаковы в любой точке)
ПР: плазма крови
в которых структурные элементы распределены неравномерно и выделяют «фазы» и «границы раздела фаз»
Фаза
фаза – часть системы, свойства которой одинаковы в любой точке
ПР: лед, вода, пар — разные фазы воды, графит и алмаз — разные фазы углерода
переход из одной фазы в другую сопровождается выделением-поглощением энергии
однофазные системы не образуют границ раздела фаз
многофазные системы образуют границы раздела фаз
Системы изол. Открытые.Закрытые.
термодинамическая система и окружающая среда обмениваются веществом и энергией
по характеру обмена веществом и энергией различают:
— изолированные системы, которые не обмениваются со средой веществом и энергией
— закрытые системы, которые обмениваются со средой энергией, но не обмениваются с ней веществом
— открытые системы, которые обмениваются со средой и веществом, и энергией
ПР: живая клетка – открытая термодинамическая система
Термодинам параметры системы.
термодинамика изучает физико-хим.свойства термодинамических систем
свойства термодинамической системы определяют состояние термодинамической системы
состояние термодинамической с-мы описывают термодинамическими параметрами и термодинамическими функциями
термодинамические параметры – различные показатели состояния термодинамической системы
если состояние системы меняется, то меняются термодинамические параметры
ПР: масса вещества системы m
давление р, температура Т, объем V, концентрация в-в с
внутренняя энергия системы U
Внутреняя энергия системы.
внутренняя энергия системы U – энергия ее структурных элементов в пределах термодинамической системы
ПР: газ в цилиндре есть термодинамическая система, состоящая из молекул газа
ее внутренняя энергия – суммарная энергия молекул газа
энергия молекул газа — энергия теплового движения молекул газа,
энергия межмолекулярного взаимодействия молекул газа,
энергия движения электронов в атомах молекул газа,
энергия внутриядерного взаимодействия протонов-нейтронов..
общая энергия системы складывается из внутренней и механической энергии системы
механическая энергия системы складывается из потенциальной и кинетической энергии системы
потенциальная энергия системы — энергия положения системы в пространстве окружающей среды
кинетическая энергия системы — энергия движения системы в пространстве окружающей среды
Виды обмена энергии системы с окр средой.
различают равновесное-стационарное-переходное состояние системы:
равновесное, когда система не обменивается со средой в-вом и энергией, и ее параметры не меняются
стационарное, когда система обменивается со средой в-вом и энергией, но ее параметры не меняются
переходное, когда параметры системы меняются
переход системы из одного состояния в другое называется термодинамическим процессом
различают процессы при постоянном объеме системы – изохорные процессы,
процессы при постоянном давлении системы – изобарные процессы,
процессы при постоянной температуре системы – изотермные процессы
различают процессы с выделением теплоты – экзотермические процессы,
процессы с поглощением теплоты – эндотермические процессы
термодинамические функции состояния – зависимости(функции) энергетических параметров системы
ПР: изменение внутренней энергии системы DU = U2— U1 – важнейшая функция системы
изменение энтальпии DН
изменение энтропии DS
изменение энергии Гиббса DG
особенность функций состояния – они не зависят от способа(пути) достижения данного состояния системы
ПР: в изменении внутренней энергии системы DU = U2— U1 важны только начальный и конечный параметры
энергетические параметры меняются, когда идет обмен энергией между системой и окружающей средой
обмен энергии происходит или путем передачи теплоты Q, или путем совершения работы A
теплота — неупорядоченная форма передачи энергии в виде хаотического движения частиц в-ва
Понятие работа
работа – упорядоченная форма передачи энергии в виде направленного движения физ.тел или частиц в-ва или зарядов
работа в хим.термодинамике связана с изменением объема термодинамической системы
работа расширения рассчитывается по формуле A = р× DV,
где р – давление в системе, DV = V2— V1 — изменение объема системы
Источник
Энергия и способы ее обмена между средой и системой
Под понятием энергия понимается свойство, проявляющееся при взаимодействии системы со средой, т.е. с другими системами, и остающееся неизменным, если взаимодействие прекращается. Энергия отличается от силы тем, что сила исчезает при окончании взаимодействия, а изменение энергии после взаимодействия системы со средой остается.
В общем случае энергия системы E складывается из трех составляющих: кинетической Eкин, потенциальной Eпоти внутренней U, т. е.
Кинетическая составляющая определяется скоростями поступательного и вращательного движений системы. Потенциальная составляющая зависит от положения системы в поле внешних сил. Внутренняя энергия, которая является главным предметом внимания в классической термодинамике, зависит от свойств системы, включая свойства молекул и ионов, и свойств среды. Эти свойства определяют характер обмена энергией между средой и системой. В дальнейшем, полагая, что системы неподвижны и практически не подвержены действию внешних полей, кинетическая и потенциальная составляющие будут исключены из рассмотрения.
Существуют два способа обмена энергией между системой и средой.
По одному из них энергия передается под влиянием физических величин, имеющих направление, т.е. векторных величин. Их часто называют силами. В это понятие вкладывается смысл больший, чем просто механическая сила. Поэтому для этого класса величин применяют более строгое названиеобобщенные силы. К ним, в частности, относится давление, являющееся векторной величиной.
Действие обобщенных сил может проявляться при деформации систем с изменением их объема, при электризации и намагничивании.
Обмен энергией под действием обобщенных сил называется работой.
Если результатом работы является только изменение объема системы, такую работу называют механической. Она осуществляется под действием давления. Все остальные виды работ принято называтьполезнойработой.
Система, способная полностью вернуть внешней среде полученную в форме работы энергию в той же самой форме и без каких-либо изменений во внешней среде, называется консервативнойсистемой. Иногда консервативные системы называютаккумулирующими системами. В некоторых случаях приходится встречаться с аккумулирующей подсистемой более сложной системы.
В качестве упрощенного примера консервативной системы можно привести пружину, растянув или сжав которую, можно совершить над ней работу. Отпускаемая пружина сама способна совершать почти ту же работу над системой.
Система, не способная вернуть среде затраченную над ней работу, называется диссипативной.
В качестве примера диссипативной системы можно представить жидкость с погруженной в нее мешалкой. Работа, затраченная на вращение мешалки, не может быть обратно возвращена внешней среде. Устройство для получения огня первобытным способом путем трения также может служить примером диссипативной системы.
Вообразим теперь систему, заключенную в такую оболочку, которая полностью исключает возможность совершения любой формы работы как самой системой, так и внешней средой над системой, но все же позволяет системе обмениваться энергией с внешней средой. Особенность этого способа обмена энергией заключается в том, что он осуществляется без действия сил. Такой способ называется теплотой, а допускающая его оболочка называетсядиатермической.
Величина работы определяется как величиной действующей обобщенной силы, так и сопоставляемым с этой силой другим свойством системы, называемым обобщенной координатой.
В отличие от обобщенной силы, которая не связана с массой системы, обобщенная координата всегда прямо пропорциональна массе системы.
В качестве примера пар «обобщенная сила — обобщенная координата» приведем пары: «давление — объем» и «электрический потенциал — переносимый заряд». Размерности этих пар должны быть такими, чтобы перемноженные они давали размерность энергии.
Для определения знака работы примем, что работа, производимая системой над средой, положительна. В этом случае обобщенная сила в системе должна быть больше, чем во внешней среде.
Нетрудно заметить, что система, совершая положительную работу, теряет энергию.
Попробуем установить, как влияет скорость изменений в системе при совершении работы на величину этой работы. С этой целью рассмотрим систему, которая совершает механическую работу, расширяясь от объема V до объема V+dV под действием силы P. Так как изменение объема является бесконечно малой величиной, то и соответствующая ему работа также должна быть бесконечно малой. Столь малую работу принято называть элементарной работойи обозначатьW в отличие от конечной работы W.
Предположим, что происходит расширение газа в цилиндре под поршнем.
Если газ будет расширяться очень быстро, то поршень должен двигаться с огромной скоростью, сопоставимой со скоростью движения молекул газа, удары которых по поверхности поршня должны быть незначительными, и работа будет также незначительной. По мере уменьшения скорости расширения газа эффективность ударов молекул будет возрастать, а работа увеличиваться. При скорости движения поршня, приближающейся к нулевой, работа достигнет максимального значения.
Изменения в системе, осуществляемые со скоростью, приближающейся к нулю, называются квазистатическими, а соответствующая им работа являетсямаксимальной. Её мы будем обозначатьWmax.
В рассматриваемом случае максимальная элементарная механическая работа определяется произведением давления на приращение объема
В общем случае максимальная элементарная работа равна произведению обобщенной силы X на приращение обобщенной координаты dx:
Если изменения в системе в ходе выполнения работы осуществляются с реальной скоростью, то для соответствующей им реальной работы Wреальнможно записать
С учетом принятой системы знаков (работа, совершаемая системой, положительна, а работа, совершаемая средой над системой, отрицательна) при одних и тех же изменениях по абсолютной величине обобщенной координаты абсолютная величина работы, совершаемой системой в реальных условиях, всегда оказывается меньше работы, совершаемой средой по возвращению системы к исходному значению обобщенной координаты. Только при квазистатических изменениях работа, совершаемая системой, и работа по возвращению системы к исходному значению параметров полностью совпадают по абсолютной величине.
В тех случаях, когда одновременно осуществляется несколько видов работы, суммарная максимальная работа определяется равенством
в котором индекс i относится к отдельному виду работы.
При полном равенстве силы Xiв системе (обозначим её значение Xi i ) и в среде (обозначим Xi e ) работа невозможна.
Состояние системы и среды, при котором данный вид работы не происходит в результате равенства сил, называется частным равновесием.
Равновесие, обусловленное равенством давлений в системе и среде, называется механическим.
Если работа вызвана неравенством сил внутри системы и во внешней среде, то она может выполняться до тех пор, пока величина силы в системе не станет равной этой же величине во внешней среде, т.е. до наступления частного равновесия. Например, если давление газа в системе больше давления во внешней среде, то расширение газа может продолжаться до полного выравнивания давлений.
Приняты также следующие названия видов работы.
Работа расширения или сжатия системы, т.е. работа, совершаемая под действием давления, называется механической работой. Все остальные типы работы, кроме механической, называютсяполезной работой. Сумма механической и полезной работы называетсяполной работойсистемы.
Системы, способные совершать только механическую работу, принято называть простыми системами. К ним относятся газ или пар в цилиндре под поршнем и т.п. Системы, способные совершать полезную работу, называютсясложными системами. К таким системам можно отнести батарейку, являющуюся источником электрического тока, или электрический аккумулятор.
Источник
