- •Часть 1. Естественнонаучная картина мира
- •1. Проблема определения науки
- •1.1. Соотношение науки, философии и религии
- •1.2. Научные понятия и способ их образования
- •1.3. Методы научного познания. Развитие научного знания
- •Подтверждение гипотезы эмпирической проверкой называется верификацией – одним из критериев истинности научного знания. Дело в том, что
- •1.4. Законы науки
- •1.5. Специфика научных методов
- •Часть 2. Химическая картина мира
- •Глава 1.Краткий исторический очерк развития естествознания
- •1.1. Античная цивилизация – основа общечеловеческой культуры
- •1.2. Формирование химической картины мира
- •Глава 2. Термодинамика
- •3.2. Первый закон термодинамики
- •3.3. Второй закон термодинамики
- •1. Теплота не может сама собой переходить от холодного тела к горячему (Клаузиус).
- •2. Невозможно создать вечный двигатель (perpetuum mobile) второго рода (в. Оствальд), то есть двигатель, способный циклически совершать работу за счет переноса тепла от холодного тела к горячему..
- •3. Различные виды энергии стремятся переходить в теплоту, а теплота, в свою очередь, стремится рассеяться, то есть распределиться между всеми телами наиболее равномерным образом (Кельвин)
- •2.4. Приложение формулы Больцмана ко всей Вселенной.
- •2.5. Критерии направления самопроизвольно протекающих процессов
- •2.6. Термодинамика открытых систем
- •Глава 3. Современные представления о строении вещества
- •2.1. Строение атома. Периодический закон
- •Квантовые числа. При решении уравнения Шредингера появляются три целочисленных квантовых числа n, l, ml.
- •2.2. Строение многоэлектронных атомов
3.3. Второй закон термодинамики
Предыдущая глава в разделе термохимии была посвящена ответу на важный вопрос: «Если химическая реакция осуществляется самопроизвольно, будет ли она выделять или поглощать теплоту?» Этот вопрос очень важен для конструкторов тепловых двигателей и химических реакторов. Но еще важнее следующий вопрос: «Будет ли рассматриваемая реакция протекать самопроизвольно без какого-либо внешнего вмешательства?» Вопрос о самопроизвольных процессах и является предметом настоящей главы.
Как мы помним, самопроизвольный процесс обладает достаточной движущей силой, позволяющей ему осуществляться без какого-либо воздействия со стороны внешнего окружения.
Реакция синтеза аммиака из Н2 и N2 имеет несколько большую начальную тенденцию к протеканию, чем обратная реакция разложения аммиака. Другими словами, прямая реакция
ЗН2 + N2 --- 2NH3 (синтез)
обладает большей движущей силой, чем обратная реакция:
2NH3 -- ЗН2 + N2 (разложение)
Но по мере накопления NН3 и уменьшения исходного количества Н2 и N2 синтез аммиака замедляется, а его разложение ускоряется. Аммиак разлагается тем быстрее, чем больше его имеется в наличии. При определенной концентрации NH3, Н2 и N2, прямая и обратная реакции протекают с одинаковой скоростью, т.е. аммиак образуется точно с той же скоростью, с какой он разлагается. Хотя на молекулярном уровне синтез и разложение аммиака продолжаются, никаких видимых изменений в газовой смеси не происходит. Создается такое впечатление, что в газе прекратились всякие изменения. Такое состояние уравновешенности двух реакций, протекающих в противоположных направлениях, называется химическим равновесием. К подобным реакциям применимо определение обратимые.
Большинство химических реакций, протекающих самопроизвольно, сопровождается выделением теплоты, то есть уменьшением энтальпии. Исходя из этого французский химик Бертло и английский - Томсен в середине 19-го века сформулировали принцип: любой химический процесс должен сопровождаться выделением теплоты. Однако известно много самопроизвольных процессов, идущих с поглощением теплоты, в частности, растворение нитрита натрия в воде (Нраств=21,3 кДж/моль), испарение воды и др. По-видимому, уменьшение энтальпии – не единственная движущая сила самопроизвольного процесса.
Второй закон термодинамики позволяет установить возможность или невозможность протекания процессов и их направление. Второй закон тер-модинамики тесно связан с обратимостью и необратимостью процессов: он устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии - одно-направленности всех происходящих самопроизвольных процессов.
Об этой асимметрии свидетельствует все нас окружающее: горячие тела со временем охлаждаются, прыгающий мяч останавливается, но противоположные процессы не происходят. Если опустить раскаленную иголку в холодную воду океана, то нетрудно догадаться, что она охладится.
На этом примере мы видим, что система с малым общим запасом энергии, но находящаяся в состоянии высокого её напряжения (высокой температуры), передаёт часть своей энергии другому телу, обладающему иногда громадным запасом энергии того же вида, но более низкого напряжения (низкой температуры).
Самопроизвольно протекающая передача энергии от одного тела к другому продолжается до тех пор, пока напряжённость энергии во взаимодействующих телах не станет одинаковой, то есть происходит выравнивание температур, электрических потенциалов и т. п. После этого наступает так называемое термодинамическое равновесие, и процесс перемещения энергии прекращается. Состояние термодинамического равновесия может сохраняться неизменным как угодно долго до тех пор, пока не изменятся внешние условия.
Единой формулировки второго закона термодинамики не существует. Есть много определений этого закона, на первый взгляд не похожих друг на друга. Однако все формулировки имеют общее начало: они характеризуют свойства необратимых процессов, отражают принцип возрастания хаоса, беспорядка в системе.
Впервые основной принцип второго закона был сформулирован М.В.Ло-моносовым в 1747 году: "...холодное тело В, погружённое в тёплое тело А, не может воспринять большую степень теплоты, чем какую имеет А".
Далее принцип второго начала развивался, что и нашло своё отражение в ряде формулировок: