Термодинамика. Термодинамиканың бірінші заңы табиғаттың жалпы заңдарының бірі

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 9 бет
Таңдаулыға:

Алғашқы кезде термодинамика жылу мен жұмыстың бір-біріне түрленуін қарастырды, сондықтан да термодинамика ( термо грекше- жылу температура, динамика - күш, жұмыс, қозғалыс) деп аталады.

Термодинамика энергияның бір түрден басқа бір түрге айналу заңдылықтарын зерттейтін ғылым. Термодинамика жалпы немесе, физикалық, техникалық және химиялық болып үшке бөлінеді. Жалпы термодинамика термодинамика заңдарын зерттеп, солардың қатты, сұйық және газ тәрізді заттардың қасиеттеріне қолданылуын қарастырады. Техникалық термодинамикада термодинамиканың жалпы заңдылықтары жылу мен жұмыстың өзара түрлену процестерін сипаттау үшін колданылады. Химиялық термодинамика мынадай мәселелерді қарастырады:

әр түрлі химиялық заттардың немесе бір заттың әр түрлі фазаларының тепе-теңдіқте болу жағдайлары;
белгілі бір жағдайда химиялық реакцияның фазалар түрленуінің өздігінен жүру мүмкіндігі;
химиялық реакция кезінде жылу мен энергияның басқа түрлерінің қарым-қатынастары;
тепе-теңдіқ және химиялық реакцияның бағыты туралы мәселелерді саңдық түрде көрсететін қасиеттерді өлшеу тәсілдеріне негіз болатын принциптер

Термодинамика төрт постулатқа негізделген.

Оларды термодинамиканың бастамасы, заңы немесе принциптері деп те атайды.

Термодинамиканың нөлінші заңы басқаша жылу тепе-теңдігінің өтпелігі туралы заң деп те аталады. Оны 1931 ж. Р. Фаулер ұсынған.

Термодинамиканың бірінші заңы басқаша энергияның сақталу заңы ретінде де белгілі, яғни энергия жоқтан пайда болмайды және жоғалмайды, тек бір түрден екінші түрге аусып отыратындығына негізделген. Ол заңды жалпы ең алғаш 1748 ж. М. В. Ломоносов ұсынды.

Кейінірек Г. И. Гесс, Р. Майер, Д. П. Джоуль, Г. Гельмгольцтердің еңбектерінің нәтижесінде ол заң одан әрі зерттеліп қазіргі түсініктемесіне ие болды.

Термодинамиканың екінші заңы энтропияның өсу заңы ретінде мәлім. Ол әр түрлі энергиялардың жылуға толық айналуын, ал жылудың жұмысқа толық айналмайтынын көрсетеді.

Термодинамиканың үшінші заңы Нернстің жылулық постулаты ретінде белгілі. Ол дене температурасының абсолюттік нөлге жетпейтіндігін көрсетеді.

Айналадағы ортадан ойша бөлінген дене немесе өзара әрекеттескен денелер тобы термодинамикалық жүйе деп аталады. Жүйені сипаттайтын барлық физикалық, химиялық күйлердің жиынтығы (мысалы, көлем, қысым, температура, химиялық құрам және т. б. ) жүйенің күйі деп аталады. Кейбір жүйе күйлері тәуелсіз айнымалылар ретінде алынса, оларды жүйе күйінің параметрлері деп атайды (мысалы, газдар үшін жүйе күйінің параметрлері ретінде үш параметрдің) қысым - Р, көлем - V және температура - Т (екеуі ғана алынады) . Жүйе күйінің қандай болса да параметрлерінің өзгеруін процесс деп атайды.

Кез келген химиялық, сонымен қатар физикалық (еру, балқу, булану т. б) процестері жүргенде энергия бөлінеді немесе сіңіріледі.

Реакция нәтижесінде бөлінетін немесе реакция жүру үшін берілетін жылу реакцияның жылу эффектісі деп аталады.

Реакцияның жылу эффектісін зерттейтін физикалық химияның саласын термохимия деп атайды. Термохимия еру процесі кезіндегі де жылу эффектілерін қарастырады.

Термохимияның өзі әрі түрлі процестердің энергетикалық өзгерулерін зерттейтін теориялық химияның басты саласы-термодинамикаға кіреді. Химиялық термодинамика химиялық энергияның басқа энергияға ауысуын зерттейді.

Термодинамиканың бірінші заңы табиғаттың жалпы заңдарының бірі- энергияның сақталу заңының дербес бір түрі. Оны былай тұжырымдауға болады: энергияның әр түрлі формалары бір-біріне тек экивалентті мөлшерде ауысады.

Бұл изоляцияланған жүйеде энергияның жалпы қоры тұрақты болатынын аңғартады.

Термодинамиканың бірінші заңы жұмыс, жылу және жүйенің ішкі энергиясының өзгеруінің арасындағы байланыстарды көрсетеді. Тұрақты температурада (Т=const ) жүретін процестерді изотермиялық деп атайды, егер қөлем тұрақты болса (V=const ), онда изохорлық процестер; ал егер қысым тұрақты болса (Р=const ) -онда изобарлық процестер жүреді. Егер жүйе мен айналадағы орта арасында жылу алмасуы болмаса ( Q=0 ), онда жүретін процесс адиабаттық процесс деп аталады. Егер әрі қөлем, әрі температура тұрақты болса(V=const, Т=const ), онда изохорлық-изотермиялық процестер туралы сөз болады, егер қысым мен температура тұрақты болса (Р=const,

Т=const ), онда процесс изобарлық-изотермиялық болып есептеледі.

Энергия түрлерінің ішінде процестерді сипаттауда ішкі энергия мен энтальпияның маңызы зор. Ішкі энергия жүйе энергиясының жалпы қорын көрсетеді. Бұған жүйені құратын бөлшектердің

(атомдар, электрондар, ядролар, молекулалар) қозғалысы мен әрекеттесу энергияларының барлық түрі енеді де, жүйенің кинетикалық энергиясы мен сыртқы күштің потенциалдық энергиясы кірмейді.

U= f (P, V, T) (1)

Ішкі энергия массаға тәуелді болмағандықтан оны зат мөлшеріне ягни бір мольге шағып есептейді. Денеге әсер етуші қысым, температура өзгергенде оның ішкі энергиясы да өзгереді. Егер, әуелгі 1-жағдайдағы дененің энергиясы U ₁ -десек, оның 2 -күйге келгендегі жағдайы U ₂ - болса, онда ішкі энергия өзгерісін айырым арқылы анықтауға болады

U ₂ - U ₁ =∆U (2)

Ішкі энергияның абсолюттік шамасын анықтау мүмкін емес, себебі әуелгі өмірдің, яғни қозғалыстың қай кезден басталғаны беймағлұм. Оның шамасын анықтаудың қажеттілігі жоқ, тек бізге дененің, не жүйенің әуелгі жағдайдан соңғы күйге келгендегі ішкі энергия айрымын анықтасақ жеткілікті. Дененің әуелгі ішкі энергиясы

U ₀ болса, онда 1-жағдайда оның ішкі энергиясы U ₀ +U _1, 2- жағдайда U ₀ +U ₂ болар еді. Бұл кезде энергия өзгеріс

∆U = (U ₀ +U ₁ ) - (U ₀ +U ₂ ) = U ₂ - U ₁ (3)

Дененің ішкі энергиясы, көп жағдайда жүйе жылу сінірсе не бөлсе, яки жүйе белгілі түрде жұмыс атқарса, өзгереді. Сондықтан жылу және жұмыс табиғатымен танысайык.

Термодинамиканың бірінші заңы жұмыс, жылу және жүйенің ішкі энергиясының өзгеруінің арасындағы байланысты көрсетеді.

Кез келген процесте жүйенің ішкі энергиясының өзгеруі ∆U=U ₂ - U ₁ жүйеге берілген жылу Q мен жүйе жасаған жұмыстың А айырымына тең болады

∆U=Q -A (4)

αU = αQ - αA _мех + α A _хим (5)

мұндағы U - жүйенің ішкі энергиясы, Дж;

Q - жылу,

A _мех - ұлғайту жұмысы,

αA _мех =pdv (6)

мұндағы A _хим - химиялық жұмыс.

αA=∑М _i dn _i (7)

мұндағы М - химиялық потенциал,

n _i - компоненттегі моль саны.

Ашық жүйелер үшін ішкі энергия - жүйенің массасына байланысты болатын экстенсивтік шама. Сондықтан ашық жүйелер үшін термодинамиканың бірінші заңы былай жазылады

∆U=Q -A + Е _м (6)

мұндағы Е _м - жүйенің массасының өзгеруіне байланысты

энергия.

Энтальпия, ішкі энергия сияқты заттың немесе жүйенің энергетикалық күйін сипаттайды, бірақ ішкі қысымды жеңуге жұмсалған, яғни жұмыс көлемін ұлғайтатын энергияны қоса алады.

Егер жүйенің бастапқы және соңғы күйлері бірдей болса, процестің жүру жолдарына байланыссыз ∆U-дың мәні де бірдей болады. Бұл жоғарыда айтқандай, ішкі энергия күйдің функциясы екенін көрсетеді.

Термодинамиканың бірінші заңының көп тұжырымдарының бірі- бірінші текті мәңгілік двигатель жасауға болмайтындығы.

Ондай двигатель-энергия жұмсамай, жұмыс істейтін двигатель. Әрине оның болуы мүмкін емес, өйткені ол термодинамиканың бірінші заңына қарсы келеді.

Энтальпия, ішкі энергия, сияқты заттың немесе жүйенің энергетикалық күйін сипаттайды, бірақ ішкі қысымды жеңуге жұмсалған, яғни жұмыс көлемін ұлғайтатын энергияны қоса алады.

Кез келген ортамен қатысы жоқ, оқшауланған жүйені қарастырайық. Мұндай жүйе ішінде энергияның өзара түрленуі болғанымен ондағы ішкі энергия мөлшері тұрақты шама, яғни U-const.

Математика тілінде тұрақты шаманың туындысы нольге тең, яғни өсімшесі жоқ деген соз dU=0

Олай болса, жүйенің ішкі энергиясы тек ортамен әрекеттескенде ғана өзгереді. Мысалы, кез келген зерттелетін жүйені сыртқы жылу көзіннен қыздырсақ, оның температурасы жоғарылайды, яғни ішкі энергиясы өзгереді. Әуелгі жағдайда жүйе энергиясын U десек, оған сыртқы орта әсері арқылы оның ішкі энергиясын өте аз мөлшерге өзгертсек, оны математика тілінде ішкі энергияның өсімшесі, яғни дифференциалы деп атайды

U ₂ - U ₁ =∆U; ∆U → dU (9)

Сонымен, аталған өзгерісті төмендегідей (10) жаза аламыз

dQ= dU+δА (10)

мұндағы dQ - өте аз мөлшерде жүйеге жылу күйінде берілген

энергия;

dU - ішкі энергия өсімшесі (дифференциалы),

δА - өте аз мөлшерінде атқарылған жұмыс.

Теңдігінен (10) көріп отырғанымыздай жылу мен жұмыс ісқимылдың нәтижесінде туындайды, ал ішкі энергияның мәні әуелгі жағдайдан dU мәніне өзгереді. Сондықтан ішкі энергия термодинамикалық күй параметрінің ішкі энергияны сипаттайтын функциясы болып табылады. Ол үзіліссіз болғандықтан, оның нақты бір өсімшесі- дифференциалы бар. Ал жұмыс пен жылу мұндай қасиетке ие бола алмайды, олар тек қимыл әрекет нәтижесінде пайда болады, яғни жүйе үшін олардың «әуелігі» мәні жоқ.

Басқа пәндер сияқты термодинамиканың да өз түсініктері, терминдері және шамалары болады. Солардың негізгілеріне тоқталып өтейік.

Айналадағы ортадан ойша бөлінген дене немесе өзара әрекеттескен денелер тобы термодинамикалық жүйе деп аталады.

Термодинамиканың зерттейтін негізгі нысаны жүйе.

Жүйе деп, қоршаған ортадан ойша немесе шын мәнінде оқшауланған жеке немесе топталған денелер жиынтығын айтады.

Қоршаған орта дегеніміз жүйемен тура немесе жанама байланыста болатынның барлығы. Қоршаған ортамен әрекеттесу сипатына орай ашық, жабық және оқшауланған жүйелер түрлері болады.

Ашық жүйе деп, қоршаған ортамен энергиясымен де, затымен де алмаса алатын жүйені айтамыз.

Жабық жүйе деп, қоршаған ортамен затымен алмасуы жоқ, бірақ энергиясымен, жұмысымен алмаса алатын жүйені айтамыз.

Оқшауланған жүйе деп, сыртқы ортамен затымен де, энергиясымен де алмасуы жоқ жүйені айтамыз.

Жүйенің барлық физикалық және химиялық қасиеттерінің жиынтығын жүйенің күйі дейді. Жүйенің күйі термодинамикалық параметрлермен (температура, қысым, көлем, концентрация) сипатталады

Жүйе күйінің параметрлері экстенсивтік және интенсивтік болып екіге бөлінеді. Экстенсивтік параметрлер жүйедегі заттардың мөлшеріне пропорционал болады. Оларға көлем, масса т. б. жатады. Интенсивтік параметрлер жүйедегі заттардың мөлшеріне байланыссыз болады. Оларға температура, қысым, тұтқырлық, концентрация және т. б. жатады.

Жүйе күйінің қандай болса да параметрлерінің өзгеруін процесс деп атайды. Мынадай процестер жиі-жиі қарастырылады. Тұрақты температурада (Т=const) жүретін процестер изотермиялық процестер деп аталады; егер қысым тұрақты болса (Р=const) - онда изобаралық процесс , ал көлем тұрақты болса (V=const), онда изохоралық процестер жүреді. Егер жүйе мен айналадағы орта арасында жылу алмасуы болмаса, онда жүретін процесс адиабаттық процесс деп аталады. Егер әрі көлем, әрі температура тұрақты болса,, онда изохорлық-изотермиялық процестер туралы сөз болады, егер қысым мен температура тұрақты болса,, онда процесс изобаралық-изотермиялық болып есептеледі.

Жүйе күйінің параметрлері біраз өзгерістерден кейін бастапқы күйге қайта оралса, онда болған процесс айналымды процесс немесе цикл деп аталады. Бұдан басқа қайтымды және қайтымсыз термодинамикалық процестер болады. Қайтымды процесте жүйе энергия жұмсамай-ақ өзінің алғашқы күйіне келе алады. Қайтымды термодинамикалық процестерге өте баяу жүретін процестер жатады. Қайтымды процестердің шартын қанағаттандыра алмайтын процестер қайтымсыз процесс деп аталады.

Тікелей өлшенетін параметрлерді (температура, қысым, көлем, концентрация) жүйенің негізгі күй парметрлері деп атайды. Тікелей өлшенуге келмейтін күй параметрлерін (ішкі энергия, энтальпия, энтропия, термодинамикалық потенциал) жүйенің күй функциясы дейді.

Химиялық кинетика, химиялық реакциялар кинетикасы - химияның химиялық процестердің жылдамдығын және жүру заңдылықтарын қарастыратын бір саласы.

1 Тарихы
2 Гомогенді және гетерогенді
3 Жай және күрделі
4 Молекулалық және иондық
5 Сілтемелер

Тарихы

Химиялық кинетика 19 ғасырдың орта кезінен бастап дамыды. 1850 жылы неміс химигі Л. Вильгельми (1812 - 1864) қамыс қанты инверсиясының, 1862 - 63 жылы француз химигі М. Бертло (1827 - 1907) этерификация реакциясы жылдамдықтарын зерттеп, 1882 - 90 жылы Ресей химигі Н. А. Меншуткин (1842 - 1907) заттың реакцияға бейімділігі мен құрылысының арасындағы тәуелділікті анықтады. Нидерланд ғалымы Я. Вант-Гофф (1852 - 1911) және швед химигі С. Аррениус (1859 - 1927) қарапайым химиялық реакциялардың жүру заңдылықтарын ашты. 20 ғасырдың 30-жылдарында Химиялық кинетиканың кванттық механика, т. б. физиканың жаңа салаларының табыстарына негізделген теориялар пайда болды. Күрделі химиялық процестердің кинетикасын зерттеуде аралық өнімнің және аралық реакциялардың шешуші рөлі жөніндегі көзқарастар дамыды.

Гомогенді және гетерогенді

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.