ЗАРОЖДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ XV-XVI в в ЯВЛЕНИЯ ПРИРОДЫ

ЗАРОЖДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ XV-XVI в. в. ЯВЛЕНИЯ ПРИРОДЫ ФИЗИЧЕСКИЕ ХИМИЧЕСКИЕ

ЗАРОЖДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ XVII-XVIII в. в. ЯВЛЕНИЯ ПРИРОДЫ ФИЗИЧЕСКИЕ ХИМИЧЕСКИЕ ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ

ЗАРОЖДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ «Химик без знания физики подобен человеку, который всего должен искать ощупом. И сии две науки так едины между собой, что одна без другой в совершенстве быть не могут» . Физическая химия наука, «объясняющая на основании опытов физических причину того, что происходит через химические процессы в сложных телах» .

ЗАРОЖДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ В 1863 г. Н. Н. Бекетов организовал в Харьковском университете отделение физической химии и начал читать студентам курс лекций по этой дисциплине, определив ее как науку, которая занимается «соотношением физических и химических свойств. . . Хотя мы и различаем физические и химические свойства тел, тем не менее и те и другие суть выражение строения и свойств мельчайших частиц. . . В природе эти два условия существования материи, конечно, не разделены» . БЕКЕТОВ Николай Николаевич (1827 -1911)

ЗАРОЖДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ Физическая химия – наука, объясняющая химические явления и устанавливающая их закономерности на основе общих принципов физики. Общая задача физической химии – предсказание временного хода химического процесса и конечного результата на основании данных о строении и свойствах молекул. Применительно к технологии бетона – получение бетонов с заданными свойствами.

РАЗДЕЛЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ o o • • o o o Строение вещества; Химическая термодинамика; Термохимия; Фазовые равновесия; Теория растворов; Электрохимия; Химическая кинетика; Поверхностные явления; Коллоидная химия; Химический катализ

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ГАЗА АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА ТВЕРДОЕ ТЕЛО ПЛАЗМА ГАЗ ЖИДКОСТЬ ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ

УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ГАЗА Состояние газа достаточно полно описывается тремя параметрами: объем, давление, температура. Б. Клапейрон: PV = BT, где коэффициент В зависит от вида газа и его массы. Д. И. Менделеев придал этому уравнению более простой вид, записав его не для массы, а для единицы количества вещества, т. е. 1 кмоля. PV = RT, где R – универсальная газовая постоянная.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Термодинамика представляет собой научную дисциплину, которая изучает: а) переходы энергии из одной формы в другую, от одной системы (части системы) к другой; б) энергетические эффекты, сопровождающие различные физические или химические процессы; в) возможность, направление и пределы самопроизвольного течения процессов в заданных условиях.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Объект изучения термодинамики – термодинамическая система – материальный объект, выделенный из внешней среды с помощью реально существующей или воображаемой граничной поверхности и способный обмениваться с другими телами энергией и (или) веществом. Виды систем: Q Q Q=const; m=const Изолированная m=const Закрытая m Открытая

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Гомогенная Гетерогенная Система

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Все виды термодинамических взаимодействий сводятся к двум принципиально различным способам: 1) совершение работы; 2) теплообмен Передача энергии в результате упорядоченного макроскопического движения называется работой. Все виды работы могут полностью превращаться друг в друга. Передача энергии в результате обмена хаотическим движением микрочастиц называется теплообменом. Количество передаваемой при этом энергии называется теплотой.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Параметры термодинамической системы – характеристики, которые фиксированы условиями существования системы и не могут изменяться в пределах рассматриваемой задачи • внешние, которые определяются свойствами и координатами тел в окружающей среде и зависят от контактов системы с окружением (T, p, V); • внутренние, которые зависят только от свойств самой системы, например, плотность ρ, внутренняя энергия U; в отличие от внешних переменных, число таких свойств неограниченно; • экстенсивные, которые прямо пропорциональны массе системы или числу частиц (объем, масса, энтропия и т. д. ); • интенсивные, которые не зависят от массы системы или числа частиц (температура, химический потенциал и т. д. ).

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Параметры состояния Объем, V [м 3/кг] Давление, р [Па] Температура, Т [К] Уравнение состояния F(р, Т, V)=0 Состояние системы, при котором параметры состояния во всех ее точках одинаковы, называется равновесным.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Функции состояния Внутренняя энергия, U [Дж] Энтропия, S [Дж/К] Энтальпия, Н [Дж]

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Функции процесса Работа, W [Дж] Теплота, Q [Дж]

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Функции состояния это так же характеристики состояния системы, но характеристики, которые не определяют состояние системы (как, например, температура и объем), а сами зависят от состояния системы. То, что определяет состояние системы, назвали параметрами состояния, а то, чем характеризуется состояние системы, назвали функциями состояния.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ р W=pd. V – работа расширения (сжатия) V, m р р 1 а б V 1 2 V

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Процесс – изменение состояния термодинамической системы • самопроизвольные; • несамопроизвольные; • обратимые (W 1=W 2); • квазистатические, или равновесные; • необратимые, или неравновесные (W 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Теплоемкость [Дж/К]- истинная теплоемкость; [Дж/К]- средняя теплоемкость; [Дж/кг·К]- удельная теплоемкость;

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ • Термодинамика применима только для систем состоящих из огромного числа частиц; • Термодинамика имеет дело только с равновесными состояниями; • Состояние называется равновесным, если система проводит в нем подавляющую часть времени; • Термодинамическое описание основано на использовании функции распределения энергии.

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Окружающая среда Q>0 Система ΔU W>0 Внутренняя энергия изолированной системы не изменяется при любых взаимодействиях внутри системы: U=соnst, ΔU=0 Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной системы равно сумме количества переданной теплоты Q и работы внешних сил W: Δ U= Q + W Любая машина может совершить работу над внешними телами W‘ только за счет изменения ΔU внутренней энергии или получения извне некоторого количества теплоты Q: W'= Q - ΔU или Q= ΔU + W'

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ В дифференциальной форме d. U= δQ + δW δW'= δQ - d. U или δQ= d. U + δW‘ = d. U + pd. V

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Изотермическое расширение T = const m= const V p V 1 < V 2 V >0 p p 1 T 1 = T 2 T=0 1 U = 0 W >0 W<0 Q>0 T 1= T 2 p 2 2 V 1 V 2 V U = 0 Q =W'

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Вывод: Внутренняя энергия системы, изотермически расширяющейся, не изменяется за счёт совершения этой системой работы вследствие поглощения теплоты из окружающей среды. Q =W' = рd. V U = 0

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Изотермическое сжатие T = const m= const T 1 = T 2 T=0 V 1 > V 2 V <0 U = 0 W <0 W>0 U = 0 Q + W =0

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Вывод: Внутренняя энергия системы, изотермически сжимающейся под действием внешних сил, не изменяется за счёт выделения этой системой теплоты в окружающую среду. Q+W=0 U = 0

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Изобарное нагревание p = const m= const T V T 2 >T 1 T>0 V 2 > V 1 V >0 p p 1=p 2 U > 0 W<0 Q>0 1 2 T 1> T 2 V 1 V 2 V H = U + p. V Q = U +W Q = H

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Вывод: При изобарном нагревании (расширении) переданное системе количество теплоты идёт на увеличение энтальпии системы. Q = U +W Q = H

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Изобарное охлаждение p = const m= const T V T 2 0 Q>0 1 2 T 1> T 2 V 1 V 2 V U = -Q+W

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Вывод: При изобарном охлаждении (сжатии) над газом совершается работа, при этом газ выделяет тепло во внешнюю среду, а его внутренняя уменьшается. U = -Q+W

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Изохорное нагревание V = const m= const p p 2 p 1 2 T p Q>0 T 2> T 1 1 V 1= V 2 T 2 >T 1 T>0 V 2 =V 1 V =0 U > 0 W =0 W=0 Q = U V

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Вывод: Внутренняя энергия системы, изохорно нагревающейся системы увеличивается только за счёт теплоты, полученной из окружающей среды. Q = U

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Изохорное нагревание V = const m= const p p 1 p 2 2 T p Q<0 T 2< T 1 1 V 1= V 2 V T 2

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Вывод: Внутренняя энергия системы, изохорно охлаждающейся системы уменьшается только за счёт выделения этой системой теплоты в окружающую среду. -Q = - U

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Адиабатное расширение T V 1 V >0 U < 0 W <0 W'>0 W' = - ∆U

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Вывод: При адибатном расширении система совершает механическую работу только за счёт уменьшения внутреннней энергии системы. W' = - ∆U

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Адиабатное сжатие Q=0 m= const p p 2 V p T 2 1 p 1 V 2 V 1 T 2> T 1 V T 2 >T 1 T>0 V 2 0 W >0 W'<0 W = ∆U

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Вывод: При адибатном сжатии над системой совершается работа, при этом внутренняя энергия системы увеличивается. W = ∆U

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Адиабатный процесс На явлении разогрева газа при его адиабатическом сжатии основано явление пневматического огнива, которое находит применение в дизелях, где воспламенение горючей смеси осуществляется путём адиабатического сжатия.

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

1 ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Эта игрушка – самый лучший пример действия законов термодинамики. Каждый раз, когда голова птички касается воды, она наклоняется, и создаётся впечатление, что птичка пьёт из чашки, помещённой перед ней. Такое «поведение» объясняется испарением воды: «верхушка» охлаждается, в ней понижается давление газа. Жидкость внутри птички поднимается от её хвоста к голове, заставляя корпус наклоняться и создавать видимость, будто птичка и в самом деле пьёт. По мере того, как птичка окунается в воду, жидкость возвращается обратно в хвост, и весь процесс начинается заново.