Экстенсивные и интенсивные параметры термодинамических систем

Параметры состояния системы

I. Основные понятия термодинамики

Тема : Термодинамика химического равновесия.

Цель лекции : изучение вопросов по термодинамике химического равновесия

План:

Содержание лекции:

Химическая термодинамика – это раздел физической химии, изучающий взаимопревращение теплоты и энергии при протекании химической реакции.

Термодинамика основана на ряде понятий: система, состояние системы, параметры состояния системы, функции состояния системы, внутренняя энергия системы и т. д.

Термодинамическая система – это тело или группа тел, взаимодействующих между собой, и отделённых от окружающей среды реальной или воображаемой поверхностью раздела.

Изолированная система – это система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Закрытая система – это система, которая не обменивается со средой веществом, но обменивается энергией.

Открытая система – это система, которая обменивается со средой и веществом, и энергией.

Примером открытой системы является живая клетка.

Состояние системы – это набор свойств системы, позволяющих описать систему с точки зрения термодинамики.

Например, для оценки состояния человеческого организма, как термодинамической системы, врач должен оценить некоторые его свойства (температура, давление, концентрация биологических жидкостей).

Физические свойства, характеризующие состояние системы, называют параметрами состояния системы.

Взаимодействие системы с окружающей средой заметно по изменению параметров системы.

Экстенсивные параметры – это параметры, которые зависят от количества вещества системы и суммируются при объединении систем (объём, масса, энергия, площадь и т.д.).

Интенсивные параметры – это параметры, которые не зависят от количества вещества и выравниваются при объединении систем (температура, давление, концентрация, плотность, поверхностное натяжение).

Параметры состояния связаны уравнением состояния.

Переход системы из одного состояния в другое с изменением хотя бы одного параметра называется термодинамическим процессом.

Внутренняя энергия является одной из таких функций.

В XIX веке немецкий судовой врач Майер Ю.Р. и английский ученый Джоуль Д. показали, что теплота и работа способны к взаимопревращениям, являясь разными способами передачи энергии.

Наблюдая за людьми в разных климатических зонах, Майер сделал вывод, что теплота сгорания пищи используется на поддержание постоянной температуры тела и на выполнение мускульной работы. Это наблюдение легло в основу 1 закона термодинамики.

Источник

Термодинамические параметры

Что такое термодинамические параметры

Термодинамические параметры — явления, описывающие макроскопические движения системы. С греческого слово «parametron» переводится как «отмеривающий» или «соразмеряющий». Таким образом, термодинамические параметры это то, что измеряет систему.

Для описания обычно достаточно трех величин. К примеру, чтобы определить состояние газа, необходимо знать его давление, температуру и удельный объём. Параметры состояния термодинамической системы не зависят от того, каким образом она пришла в данное положение.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Если оно равновесное, то это описывается строго определенным набором величин. Зависимость между ними определяется уравнением состояния, которое и позволяет классифицировать системы.

Классификация величин

Явления, которые характеризируют всю систему целиком, называют макроскопическими. В разных источниках классификация величин отличается, но основные группы все же можно выделить.

В некоторых случаях в литературе используются также такие определения, как внешние и внутренние величины. К первым относят экстенсивные свойства, а ко вторым — внутреннюю энергию, температуру или химсостав.

Термодинамическими параметрами называют и величины, которые поддаются и не поддаются измерению приборами. Давление, температура и объем легко измеряется, а внутреннюю энергию уже нужно вычислять по формулам.

Наряду с термическими параметрами свойств в термодинамике также широко используются и калорические. К ним относятся, в частности энтальпия и энтропия.

Основные величины

К основным термодинамическим параметрам относятся: удельный объем, давление и температура. Если меняется хотя бы одна из этих величин, происходит процесс. Совокупность генеральных свойств системы соответственно определяет ее состояние.

Основные термодинамические параметры состояния:

Основным термодинамическим параметром являются также удельная теплоемкость вещества (объем теплоты, поглощаемой в процессе нагревания на 1 кельвин).

Интенсивные и экстенсивные параметры

Термодинамические параметры состояния делятся на две группы: экстенсивные (суммирующиеся) и интенсивные (выравнивающиеся). В первом случае свойство прямо пропорционально массе системы и обладает аддитивностью. Во втором: параметры таким свойством не обладают и не зависят от массы.

Экстенсивные или аддитививные параметры при фиксированных значениях интенсивных параметров пропорциональны числу частиц в системе (или ее массе). Интенсивные параметры принимают одинаковые значения для любой части равновесной системы, даже когда она не является пространственно однородной.

Экстенсивные величины — величины, значения которых для всей системы равны аналогичному показателю для отдельных ее частей.

Интенсивные величины — величины, которые не изменяются при разделении системы на части.

В отличие от них экстенсивные величины зависят от размеров системы и ее массы.

Интенсивные термодинамические параметры:

Разновидности по свойствам веществ, вступающих в реакцию

Любая химическая реакция сопровождается изменениями функций состояния системы, определяющихся переменными состояниями системы (объемом, давлением и температурой, количеством молей химических компонентов). Реакция возможна, если вещества имеют более низкую свободную энергию, чем реагенты.

К характеристикам параметров состояния термодинамической системы относятся разные величины (в том числе температура, состав или плотность и многое другое). Именно они описывают ее в определенный момент времени в зависимости от набора состояний.

Источник

Экстенсивные и интенсивные параметры термодинамических систем

Термодинамическая система характеризуется определенными значениями ее свойств. Эти свойства термодинамического тела (системы) называются параметрами состояния.

Параметры состояния – любая величина, присущая телу, изменение которой определяется только начальным и конечным состоянием тела и не зависит от характера процесса изменения его состояния, при переходе его из первого состояния во второе. Параметры можно разделить на две группы:

Интенсивные – которые не зависят от количества вещества и при взаимодейтсвии тел выравниваются (температура, давление и т.п.);

Экстенсивные – зависящие от количества вещества, следующие закону сложения или, как говорят математики, закону аддитивности (масса, обьем, внутренняя энергия и т.п.).

Измерение экстенсивной величины производится сравнением ее с такой же по природе величиной, выбранной за единицу – эталон (метр, килограмм и т.п.). Измерение интенсивной величины основано на использовании объективной связи между изменениями этой интенсивной величины и какой-либо экстенсивной величины. Например, связь температуры и объема жидкости в термометре приводит к измерению температуры с помощью длины столбика жидкости в термометре.

Некоторые экстенсивные величины приобретают свойства интенсивных, если их рассматривают применительно к единице массы данного вещества (удельные объем, энтальпия и т.п.).

Все термодинамические параметры введены человеком для удобства изучения окружающего мира. Однако не все параметры поддаются измерению приборами. Ряд параметров, не поддающихся измерению, человек ввел для удобства расчета термодинамических процессов. Эти параметры получаются расчетным путем и имеют в размерности величину работы (энергии) Дж или кал. Например, к ним относятся энтальпия и энтропия. Такие параметры получили название – энергетических или калорических параметров, или функций состояния. Параметры, которые возможно измерить приборами, называются термическими. Например, к этим параметрам относятся температура и давление.

Общая схема разделения термодинамических параметров состояния на основые виды дана на рис. 2.4.

Источник

Функция состояния термодинамической системы: внутренняя энергия. Первый закон термодинамики.

Основные понятия термодинамики: система, элемент системы. Классификация систем: по фазовому состоянию (гетерогенные и гомогенные); по способу обмена с окружающей средой массой и энергией (изолированные, закрытые, открытые)

Термодинамическая система – это тело или группа тел, взаимодействующих между собой, и отделѐнных от окружающей среды реальной или воображаемой поверхностью раздела.

Гомогенные – это такие системы, внутри которых свойства изменяются непрерывно при переходе от одного места к другому.

Гетерогенными называются системы, которые состоят из нескольких физически однородных, или гомогенных, тел, так что внутри систем имеются разрывы непрерывности в изменении их свойств.

Изолированная система – это система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Закрытая система – это система, которая не обменивается со средой веществом, но обменивается энергией.

Открытая система – это система, которая обменивается со средой и веществом, и энергией. Примером открытой системы является живая клетка.

Параметры состояния термодинамической системы. Интенсивные и экстенсивные параметры. Примеры

Экстенсивные параметры – это параметры, которые зависят от количества вещества системы и суммируются при объединении систем (объѐм, масса, энергия, площадь и т.д.).

Интенсивные параметры – это параметры, которые не зависят от количества вещества и выравниваются при объединении систем (температура, давление, концентрация, плотность, поверхностное натяжение).

Функция состояния термодинамической системы: внутренняя энергия. Первый закон термодинамики.

Первый закон термодинамики (первое начало термодинамики): энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а переходит из одного вида энергии в другой. ∆U=Q+A

4. Функции состояния термодинамической системы: энтальпия. Определения: тепловой эффект реакции, стандартная энтальпия образования вещества, стандартная энтальпия сгорания вещества. Закон Гесса и его следствие.

Энтальпия-это функция состояния, приращение которой равно тепловому эффекту процесса, протекающего при постоянном давлении.

Стандартная энтальпия (теплота) образования вещества – это тепловой эффект реакции образования 1 моль химического соединения из простых веществ в стандартных условиях: Т=289 К, Р=1 атм=101325 Па

Стандартная энтальпия (теплота) сгорания вещества – это тепловой эффект реакции полного сгорания 1 моль химического соединения в стандартных условиях.

Закон Гесса: теплота химической реакции, протекающей при постоянном давлении или объѐме, не зависит от пути процесса, а только от начального и конечного состояний системы.

Следствия из закона Гесса

Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции.

Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования продуктов реакции иисходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты

Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот сгорания (ΔH_c) исходных веществ ипродуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты

Если начальное и конечное состояния химической реакции (реакций) совпадают, то её (их) тепловой эффект равен нулю.

Функция состояния термодинамической системы: энергия Гиббса. Прогнозирование направления самопроизвольно протекающих процессов в изолированной и закрытой системах; роль энтальпийного и энтропийного факторов.

Энергия Гиббса (или потенциал Гиббса) — это величина, показывающая изменение энергии в ходе химической реакции.

В ходе самопроизвольного процесса в закрытых системахG уменьшается до определенной величины, принимая минимально возможное для данной системы значение Gmin. Система переходит в состояние химического равновесия (ΔG= 0).

В изолированных системахэнтропия максимально возможное для данной системы значение Smax; в состоянии равновесия ΔS= 0

Энтальпийный и энтропийный фактор действуют независимо друг от друга и могут направлять процесс в противоположные стороны.

эннтальпийный и энтропийный факторы. Процессы могут протекать самопроизвольно (ΔG 0).

Диффузия

диффузией является перемешивание молекул вещества при их беспорядочном тепловом движении.
процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму

примеры: 1)растворение молока в кофе;
2)заваривание чая;
3)распространение запахов;

Осмос. Эндо- экзоосмос

Осмос — результат неравенства химических потенциалов воды по разные стороны мембраны. Идеальная полу24проницаемая мембрана пропускает молекулы воды и не пропускает молекулы растворенного вещества.

Односторонняя диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану, отделяющую раствор от чистого растворителя.

наблюдаются, когда жидкости приходят во взаимодействие через перепонки.

ЭНДООСМОС биол. процесс просачивания (диффузии) жидкостей и нек-рых растворенных веществ из внешней среды внутрь клетки

ЭКЗООСМОС биол. процесс просачивания (диффузии) жидкостей и нек-рых растворенных веществ из клетки в окружающую внешнюю среду

Осмос, направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом, наружу — экзосмосом.

22. Осмотичекое давление (закон Вант-Гоффа)

Осмотическое давление равно тому давлению, которое имело бы растворенное вещество, будучи в газообразном состоянии в объеме раствора

Основные понятия термодинамики: система, элемент системы. Классификация систем: по фазовому состоянию (гетерогенные и гомогенные); по способу обмена с окружающей средой массой и энергией (изолированные, закрытые, открытые)

Термодинамическая система – это тело или группа тел, взаимодействующих между собой, и отделѐнных от окружающей среды реальной или воображаемой поверхностью раздела.

Гомогенные – это такие системы, внутри которых свойства изменяются непрерывно при переходе от одного места к другому.

Гетерогенными называются системы, которые состоят из нескольких физически однородных, или гомогенных, тел, так что внутри систем имеются разрывы непрерывности в изменении их свойств.

Изолированная система – это система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Закрытая система – это система, которая не обменивается со средой веществом, но обменивается энергией.

Открытая система – это система, которая обменивается со средой и веществом, и энергией. Примером открытой системы является живая клетка.

Параметры состояния термодинамической системы. Интенсивные и экстенсивные параметры. Примеры

Экстенсивные параметры – это параметры, которые зависят от количества вещества системы и суммируются при объединении систем (объѐм, масса, энергия, площадь и т.д.).

Интенсивные параметры – это параметры, которые не зависят от количества вещества и выравниваются при объединении систем (температура, давление, концентрация, плотность, поверхностное натяжение).

Функция состояния термодинамической системы: внутренняя энергия. Первый закон термодинамики.

Первый закон термодинамики (первое начало термодинамики): энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а переходит из одного вида энергии в другой. ∆U=Q+A

4. Функции состояния термодинамической системы: энтальпия. Определения: тепловой эффект реакции, стандартная энтальпия образования вещества, стандартная энтальпия сгорания вещества. Закон Гесса и его следствие.

Энтальпия-это функция состояния, приращение которой равно тепловому эффекту процесса, протекающего при постоянном давлении.

Стандартная энтальпия (теплота) образования вещества – это тепловой эффект реакции образования 1 моль химического соединения из простых веществ в стандартных условиях: Т=289 К, Р=1 атм=101325 Па

Стандартная энтальпия (теплота) сгорания вещества – это тепловой эффект реакции полного сгорания 1 моль химического соединения в стандартных условиях.

Закон Гесса: теплота химической реакции, протекающей при постоянном давлении или объѐме, не зависит от пути процесса, а только от начального и конечного состояний системы.

Следствия из закона Гесса

Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции.

Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования продуктов реакции иисходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты

Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот сгорания (ΔH_c) исходных веществ ипродуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты

Если начальное и конечное состояния химической реакции (реакций) совпадают, то её (их) тепловой эффект равен нулю.

Источник

Термодинамические параметры состояния системы

Основные понятия и определения термодинамики

Термодинамика- это наука о взаимном преобразовании различных видов энергии (наиболее часто встречающиеся в природе тепловая и механическая виды энергии).

Объектом изучения термодинамики являются различные термодинамические системы.

Термодинамическая система представляет собой тело (несколько тел), способное обмениваться с другими телами (между собой) энергией и веществом.

То, что находится вне системы называется окружающей средой.

Например, термодинамическая система- это газ, находящейся в цилиндре с поршнем, а окружающая среда- это цилиндр, поршень, воздух, стены помещения.

Различают гомогенные (однородные) и гетерогенные (разнородные) термодинамические системы.

Гомогенная система— это система, внутри которой нет поверхностей раздела (например, вода, газы).

Гетерогенная система— это система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (например, вода и пар).

Вещества обычно пребывают в одном из трёх основных состояний: в твердом, жидком или газообразном состоянии. Очевидно, что одно и то же вещество при разных условиях может находиться в различных состояниях и соответственно свойства вещества будут различными.

Свойства термодинамической системы могут быть интенсивными и экстенсивными.

Интенсивными называют свойства, не зависящие от количества вещества в системе (например, давление и температура).

Свойства, зависящие от количества вещества, называют экстенсивными. Примером экстенсивных свойств является объем, который изменяется пропорционально количеству вещества. Объем 10кг вещества при одних и тех же условиях будет в 10 раз больше, чем объем 1кг вещества.

Экстенсивные свойства термодинамической системы, отнесенные к массе вещества или другими словами удельные экстенсивные свойства приобретают смысл интенсивных. Так, удельный объем, удельная теплоёмкость и т.п. рассматриваются в качестве интенсивных свойств.

Интенсивные свойства, определяющие состояние термодинамической системы, называются термодинамическими параметрами состояния системы.

Наиболее удобными и поэтому наиболее распространенными параметрами состояния являются абсолютная температура, абсолютное давление и удельный объем (плотность) системы.

Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Понятие о температуре вытекает из следующего утверждения: если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их температур они будут обмениваться теплотой друг с другом, если же их температуры равны, то теплообмена не будет.

В качестве термодинамического параметра состояния системы принимают абсолютнуютемпературу Т. Она всегда положительна.

В системе СИ единицей температуры является кельвин (К); на практике широко применяется градус Цельсия (). Соотношение между абсолютной Т и стоградусной t температурами имеет вид:

Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть сила ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о единицу площади стенки сосуда, в котором заключен газ, т.е.:

В системе СИ давление выражается в Паскалях. .

Различают избыточное и абсолютное давление.

Абсолютное давление ()- это давление, которое отсчитывается от абсолютного нуля давления или другими словами от абсолютного вакуума.

Именно абсолютное давление является термодинамическим параметром состояния системы.

Абсолютное давление определяется:

1). При давлении сосуда больше атмосферного:

2). При давлении сосуда меньше атмосферного:

где — атмосферное давление; — давление вакуума (давление разрежения).

Удельный объем – это величина, которая определяется как отношение объема вещества к его массе:

Между удельным объемом вещества и его плотностью существует очевидное соотношение:

При отсутствии внешних воздействий на термодинамическую систему (например, со стороны гравитационного или электромагнитного поля) состояние системы считается определенным, т.е. известным если заданы 2 интенсивных параметра состояния системы.

Если, например, рассматривается водяной пар при температуре 250 0 С и атмосферном давлении, то удельный объем такого пара может иметь только одно значение 0,23м 3 /кг.

Таким образом, удельный объем данного вещества однозначно определяется давлением Р и температурой Т.

Если в различных точках термодинамической системы существуют различные значения температур, давлений и других параметров, то такая система является неравновесной.

Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равновесным.

В классической термодинамике (т.е. термодинамике идеального газа) рассматриваются только равновесные системы.

В простейших равновесных термодинамических системах, которыми являются газы или пары, параметры состояния, т.е. удельный объем, температура и давление связаны уравнением состояния идеального газа:

где — газовая постоянная, которая определяется по формуле:

где — молекулярная масса газа, .

Изменение состояния термодинамической системы во времени называется термодинамическим процессом. Так, при перемещении поршня в цилиндре объем, а с ним давление и температура находящегося внутри газа будут изменяться, поскольку будет совершаться процесс расширения или сжатия газа.

Если в термодинамическом процессе изменение параметра состояния не зависит от вида процесса, а определяется начальным и конечным состоянием, то параметры состояния называются функцией состояния. Такими параметрами являются, например, внутренняя энергия и энтальпия системы.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник