1.3. Термодинамическая вероятность. Энтропия. 2-е и 3-е начала (законы) термодинамики.

1. Какие процессы называют самопроизвольными? Приведите примеры самопроизвольных процессов, в том числе химических реакций.

Самопроизвольный процесс – это свойство процесса быть энергетически выгодным и, следовательно, способным протекать в прямом напрвлении.

Примерами таких реакций может быть растворение соли в воде, смешение двух газов.

2. Почему условие  H < 0 не может быть критерием самопроизвольного течения химических реакций? Почему самопроизвольно протекают некоторые эндотермические реакции, например, растворение в воде солей KCl или NH₄NO₃? Что является движущими силами самопроизвольного процесса?

1) Самопроизвольность процесса – его свойство быть энергетически выгодным и, следовательно, способным протекать в прямом направлении.

Изменение энтальпии системы не может служить единственным критерием самопроизвольного осуществления химической реакции, поскольку многие эндотермические процессы протекают самопроизвольно.

Чтобы сказать, возможно ли самопроизвольное протекание реакции, необходимо ввести такую функцию состояния, как энтропия.

2) При растворении жидких и твердых веществ энтропия системы обычно возрастает (ΔS > 0), так как растворяемые вещества из более упорядоченного состояния переходят в менее упорядоченное.

Самопроизвольное протекание эндотермической реакции возможно лишь тогда, когда она сопровождается значительным увеличением энтропии.

3) Существует две движущие силы самопроизвольного протекания процесса:

Стремление уменьшить энергосодержание системы

и выделить теплоту (Δ H < 0).

Стремление частиц к хаотичному движению, а системы – к переходу в менее упорядоченное состояние.

3. Сформулируйте 2-ой закон термодинамики для изолированных систем. Почему химические реакции обычно сопровождаются изменением как энтропии, так и энтальпии?

1) В любой изолированной системе с течением времени происходит постоянное возрастание степени беспорядка, то есть энтропии

2) если в системе протекает химическая реакция, то система обменивается энергией с окружающей средой, т.е. не является изолированной. Химические реакции обычно сопровождаются изменением как энтропии, так и энтальпии.

Таким образом, движущая сила процесса складывается из двух сил: стремления к упорядочению (Н) и стремления к беспорядку (TS).

При р = const и Т = const общую движущую силу процесса, которую обозначают G, можно найти из соотношения

∆G=∆H-T∆S

величина G называется изобарно-изотермическим потенциалом или энергией Гиббса.

4. Что такое энтропия и как она связана с термодинамической вероятностью данного состояния? Приведите уравнение Больцмана и укажите, что означает в этом уравнении каждая из величин? Какова размерность энтропии?

Энтропия - это мера неупорядоченности состояния системы; стремление частиц (молекул, ионов) к хаотическому движению.

Уравнение Больцмана : . (все, что нашла)

((m — масса частицы). Скорость изменения функции распределения со временем характеризуется частной производной  , второй член в уравнений, пропорциональный частной производной функции распределения по координате, учитывает изменение f в результате перемещения частиц в пространстве; третий член определяет изменение функции распределения, обусловленное действием внешних сил F. Стоящий в правой части уравнения член, характеризующий скорость изменения функции распределения за счёт столкновений частиц, зависит от f и характера сил взаимодействия между частицами и равен )

Размерность [ Дж\моль * К ]

5. Сформулируйте 3-е начало термодинамики (постулат М.Планка).

Третье начало термодинамики (теорема Нернста) — физический принцип, определяющий поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному нулю. Является одним из постулатовтермодинамики, принимаемым на основе обобщения значительного количества экспериментальных данных.

В 1911 году Макс Планк сформулировал третье начало термодинамики как условие обращения в нуль энтропии всех тел при стремлении температуры к абсолютному нулю: S -> 0. Отсюда S₀ -> 0, что даёт возможность определять абсолютное значения энтропии и других термодинамических потенциалов. Формулировка Планка соответствует определению энтропии в статистической физике через термодинамическую вероятность (W) состояния системы S=k lnW. 

6. Является ли энтропия функцией состояния системы? Как можно рассчитать изменение энтропии химической реакции? Приведите пример. Что отличает энтропию от других термодинамических функций?

7. Приведите примеры реакций и процессов, при которых бы энтропия системы увеличивалась, уменьшалась или же оставалась без изменений. Как изменяется энтропия системы при изменении температуры и почему? Покажите эти изменения на диаграмме фазовых переходов воды из твердого состояния в газообразное.