Электронный учебник

по физической химии

для специальностей

1101, 1102, 1103, 1106

Тема 1. Законы термодинамики

§1. Предмет физической химии. Проблемы и методы физической химии.

Как показывает само название, физическая химия охватывает вопросы, находящиеся на стыке физики и химии. Физическая химия раскрывает существо химических процессов. Химические реакции связаны с разнообразными физическими процессами: теплопередачей- поглощением или выделением тепла; поглощением или выделением света; электрическими явлениями, изменением объема и др. В химических реакциях всегда осуществляется тесная связь химических и физических явлений; изучение этой взаимосвязи – основная задача физической химии.

Физическая химия охватывает все вопросы теории химических превращений и рассматривает влияние физических параметров на химические процессы и химического состава на физические свойства.

Укажем несколько типичных проблем физической химии:

1. Проблема химического равновесия. Основой теории любого химического производства является расчет максимально возможного выхода химической реакции как функции параметров (T, P и т.д.).

2. Проблема скорости химической реакции. Производительность промышленных агрегатов определяется скоростью химических превращений.

3. Проблема связи свойств тела с его структурой и химическим составом. Чем определяется и как достигается пластичность, прочность, твердость.

4. Проблема химической связи. Чем определяется реакционная способность, структура, форма, электрические и энергетические характеристики молекул?

В современной науке и технике особое значение приобретает ряд проблем, непосредственно связанных с физической химией: получение материалов с заданными свойствами, разделение веществ, получение особо чистых материалов, автоматизация промышленности, применение сверхвысоких температур и давлений в металлургии и химической промышленности.

Можно выделить три основных метода, которыми пользуется физическая химия.

Первый метод – термодинамика. Она является опытной и формальной дисциплиной. Все законы и понятия формулируются в термодинамике как результат описания опыта без проникновения в молекулярный механизм процессов.

Второй метод – статистическая механика, опирающаяся на учение о молекулярной природе тел. Рассмотрение тел как больших коллективов частиц, подчиняющихся законам механики, позволяет обосновывать понятия и законы термодинамики. Статистическая механика позволяет связать макроскопические свойства тел с микроскопическими свойствами молекул.

Третий метод основывается на учении о строении атома и молекул. Он позволяет объяснить свойства молекул и твердых тел на основе законов движения и свойств составляющих их частиц, в первую очередь электронов.

Изучение физической химии начинается с химической термодинамики.

Химическая термодинамика применяет положения и законы общей термодинамики к изучению химических явлений. Для вывода закономерностей химической термодинамики нужно знать начальное и конечное состояние системы, а также внешние условия, при которых протекает процесс (T, P и т.д.). Химическая термодинамика не позволяет делать какие-либо выводы о внутреннем строении вещества и механизме протекания процессов. В этом заключается ограниченность термодинамического метода.

Введем некоторые необходимые термины.

Системой называется тело или группа тел, находящихся во взаимодействии и фактически или условно обособленных от окружающей среды.

Изолированной системой называют такую систему, которая не обменивается теплотой и работой с окружающей средой, т.е. энергия и объем которой постоянны.

Состояние системы – совокупность физических и химических свойств, характеризующих эту систему.

Состояние термодинамической системы характеризуется термодинамическими параметрами. К термодинамическим параметрам относятся температура, давление, объем, концентрация и др.

Термодинамическим процессом называется всякое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного из термодинамических параметров. Если изменение параметра зависит только от начального и конечного состояния и не зависит от пути процесса, то такой параметр называется функцией состояния.

Круговым процессом, или циклом, называется процесс, при котором термодинамическая система, выйдя из некоторого начального состояния и претерпев ряд изменений, возвращается в то же самое состояние; в этом процессе изменение любой функции состояния равно нулю.

В зависимости от условий протекания различают процессы: изобарический, изохорический, изотермический и адиабатный.