Термодинамическое равновесие это кратко

Обновлено: 05.07.2024

Термодинамическое равновесие — состояние изолированной термодинамической системы, при котором в каждой точке для всех химических, диффузионных, ядерных, и других процессов скорость прямой реакции равна скорости обратной.

Термодинамическое равновесие можно делить на термическое, механическое и химическое равновесие, выделяя различные типы физических процессов, на которых достигнуто состояние равновесия.

Согласно нулевому началу термодинамики к термодинамическому равновесию стремится термодинамическая система, изолированная от внешних воздействий.

На практике условие изолированности означает, что процессы внутри системы протекают гораздо быстрее, чем обменные процессы с внешней средой.

В реальных процессах часто реализуется неполное равновесие, однако степень этой неполноты может быть существенной и несущественной. При этом возможны три варианта:

  1. локальное равновесие — равновесие достигается в какой-либо части (или частях) относительно большой по размерам системы;
  2. частичное равновесие — неполное равновесие достигается вследствие разности скоростей релаксационных процессов, протекающих в системе;
  3. смешанное — имеют место как локальное, так и частичное равновесие.

Содержание

Устойчивость термодинамического равновесия

Из нулевого начала термодинамики следует устойчивость состояния термодинамического равновесия. В этом состоянии не меняются интегральные параметры системы (макропараметры) — температура, давление, плотность. Собственно, эти и другие макропараметры строго определяются только для систем, которые находятся в состоянии термодинамического равновесия.

В состоянии термодинамического равновесия не меняются также и различные вероятностные величины, например, функции распределения по энергиям и скоростям для всех составляющих системы (молекул, атомов, электронов, ионов). Для идеального газа, распределение частиц по энергиям в равновесном состоянии описывается функцией распределения Максвелла.

Достижимость термодинамического равновесия

В природе не существуют полного термодинамического равновесия. Всякая система в реальном мире изолирована лишь отчасти, и в каждой системе химические, ядерные процессы или процессы передачи энергии уравновешены лишь с определённой точностью. Невозможно достичь постоянства граничных условий вокруг какой-либо замкнутой области, также как невозможно бесконечно долго ждать момента наступления полного термодинамического равновесия в этой замкнутой области.

Но при этом в жизни есть множество примеров систем, достаточно близких к термодинамическому равновесию, чтобы получать полезные выводы из расчетов, проведённых в предположении термодинамического равновесия.

Примеры

Для герметического сосуда произвольной формы (это может быть закрытая стеклянная бутылка или, камера от велосипеда), наполненного любым газом или жидкостью и помещённым в другой сосуд, наполненный газом или жидкостью с постоянной температурой условия теплового равновесия выполняются.

Плазма, полученная в земных условиях, например, в газоразрядной камере всегда неравновесна. Энергия, поступающая в объём, из электрического разряда, уходит в окружающее пространство, например, с излучением из газа. Заряженные частицы, электроны усваивают энергию электрического поля и отдают её тяжёлым частицам - атомам и ионам в столкновениях. В этом случае говорят о локальном термодинамическом равновесии внутри малых объёмов или о приближённом термодинамическом равновесии внутри ансамблей частиц (электронов, ионов, атомов, фотонов). Поэтому в физике плазмы используют термины: температура электронов, температура ионов, температура атомов, подразумевая, что распределение каждого класса частиц по энергиям приближённо описывается функцией Максвелла, но со своей температурой.


Герметичный цилиндр, разделённый герметичным теплопроводящим поршнем, который перемещается без трения и разделяет объём цилиндра на две части, наполненные газом. Если давления и/или температуры с разных сторон поршня различаются, то он начнёт колебательное движение, которое со временем затухнет и система, ограниченная внутренностью поршня, перейдёт в состояние термодинамического равновесия -- поршень неподвижен, давления и температуры с обоих сторон поршня одинаковы.

Критерии термодинамической устойчивости различных систем

  • Замкнутая (адиабатически изолированная) система — максимум энтропии.
  • Система с фиксированными температурой и объёмом — минимум свободной энергии.
  • Система с фиксированными температурой и давлением — минимум внутренней энергии.
  • Система с фиксированными энтропией и давлением — минимум энтальпии.

См. также

Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Термодинамическое равновесие. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

Термодинамическое равновесие — состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды. В общем, эти величины не являются постоянными, они лишь флуктуируют (колеблются) возле своих средних значений. Если равновесной системе соответствует несколько состояний, в каждом из которых система может находиться неопределенно долго, то о системе говорят, что она находится в метастабильном равновесии. В состоянии равновесия в системе отсутствуют потоки материи или энергии, неравновесные потенциалы (или движущие силы), изменения количества присутствующих фаз. Отличают тепловое, механическое, радиационное (лучистое) и химическое равновесия. На практике условие изолированности означает, что процессы установления равновесия протекают гораздо быстрее, чем происходят изменения на границах системы (то есть изменения внешних по отношению к системе условий), и осуществляется обмен системы с окружением веществом и энергией. Иными словами, термодинамическое равновесие достигается, если скорость релаксационных процессов достаточно велика (как правило, это характерно для высокотемпературных процессов) либо велико время для достижения равновесия (этот случай имеет место в геологических процессах).

В реальных процессах часто реализуется неполное равновесие, однако степень этой неполноты может быть существенной и несущественной. При этом возможны три варианта:

  1. равновесие достигается в какой-либо части (или частях) относительно большой по размерам системы — локальное равновесие,
  2. неполное равновесие достигается вследствие разности скоростей релаксационных процессов, протекающих в системе — частичное равновесие,
  3. имеют место как локальное, так и частичное равновесие.

В неравновесных системах происходят изменения потоков материи или энергии, или, например, фаз.

Устойчивость термодинамического равновесия

Состояние термодинамического равновесия называется устойчивым, если в этом состоянии не происходит изменения макроскопических параметров системы.

Критерии термодинамической устойчивости различных систем:

  • Изолированая (абсолютно не взаимодействующая с окружающей средой) система — максимум энтропии.
  • Замкнутая (обменивается с термостатом только теплом) система — минимум свободной энергии.
  • Система с фиксированными температурой и давлением — минимум потенциала Гиббса.
  • Система с фиксированными энтропией и объёмом — минимум внутренней энергии.
  • Система с фиксированными энтропией и давлением — минимум энтальпии.

См. также

Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 15 мая 2011.

Лекция 1. Предмет технической термодинамики и ее методы

1. Предмет термодинамики

2. Основные параметры состояния тела

3. Понятие о термодинамическом процессе

4. Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы

5. Термодинамическое равновесие

1. Предмет термодинамики

Термодинамика наука о превращениях различных видов энергии из одного в другой, и о наиболее общих макроскопических свойствах материи. Она изучает различные как физические, так и химические явления, обусловленные превращениями энергии. Применение закономерностей термодинамики позволяет анализировать свойства веществ, предсказывать их поведение в различных условиях. Термодинамика дает возможность исследовать различные процессы от простых в однородных средах до сложных с физическими и химическими превращениями, биологических и др.

Термодинамика основана на двух, экспериментально установ­ленных законах (началах).

Первый закон (начало) является по существу законом преобразования и сохранения энергии применительно к процессам, изучаемым в термодинамике; невозможен процесс возникновения или исчезновения энергии.

Второй закон (начало) – определяет направление течения реальных (неравновесных) процессов; невозможен процесс, имеющий единственным своим результатом превращение теплоты в работу.

Термодинамический метод исследования основан на законах (началах) термодинамики и представляет собой их логическое и математическое развитие.

Объект исследования в термодинамике называют термодинамической системой или, в простом случае, термодинамическим телом. Одна из особенностей метода термодинамики состоит в том, что система (тело) противопоставляется всем другим телам, которые называют окружающей средой. Термодинамика построена дедуктивно: частные выводы получены из общих законов (начал).

Принято разделять термодинамику на физическую, или общую, химическую и техническую.

Физическая термодинамика разрабатывает метод термодинамики и применяет его для изучения фазовых превращений термоэлектрических и магнитных явлений, излучения, поверхностных явлений и т. п.

Химическая термодинамика изучает процессы с физическими и химическими превращениями с помощью метода термодинамики.

Техническая термодинамика устанавливает закономерности взаимного преобразования теплоты и работы, для чего изучает свойства газов и паров (рабочих тел) и процессы изменения их состояния; устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, протекающими в тепловых двигателях и холодильных установках. Одна из основных ее задач – отыскание наиболее рациональных способов взаимного превращения теплоты, и работы.

ТЕРМОДИНАМИ́ЧЕСКОЕ РАВНОВЕ́ ­ СИЕ, со­стоя­ние тер­мо­ди­на­мич. сис­те­мы, в ко­то­ром её па­ра­мет­ры не ме­ня­ют­ся с те­че­ни­ем вре­ме­ни и, кро­ме то­го, в сис­те­ме от­сут­ст­ву­ют не­об­ра­ти­мые про­цес­сы , свя­зан­ные с дис­си­па­ци­ей энер­гии (те­п­ло­про­вод­ность, диф­фу­зия, хи­мич. ре­ак­ции и др.). В ус­ло­ви­ях изо­ля­ции от ок­ру­жаю­щей сре­ды сис­те­ма с те­че­ни­ем вре­ме­ни са­мо­про­из­воль­но при­хо­дит в со­стоя­ние Т. р. Пе­ре­ход сис­те­мы в Т. р. на­зы­ва­ет­ся ре­лак­са­ци­ей .

Изучение теоретического курса химии cтроительных материалов обязательно сопровождается выполнением практических работ студентов, что также является одной из особенностью кредитной системы обучения. К выполнению практических работ можно приступить тогда, когда будет начато теоретическое изучение курса. На лекциях даются теоретические разделы более сложных тем программы, методические рекомендации для самостоятельного изучения отдельных разделов химии В помощь студентам специально разработаны активные раздаточные материалы – АРМы, где приводятся краткое содержание лекции, контрольные вопросы, тестовые задания и задания СРС, СРСП, указаны сроки сдачи и формы самостоятельной работы, список основной и дополнительной литературы. Для лучшего усвоения изучаемого материала на практических занятиях теория закрепляется решением примеров и задач.

Цель данной методической работы – дать рекомендации студентам при выполнении практических работ по разделам химии строительных материалов.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

Тема 1. Основы химической термодинамики

В химической термодинамике изучается применение законов термодинамики к химическим и физико – химическим явлениям и рассматриваются главным образом:

1) тепловые балансы процессов;

2) фазовые равновесия для индивидуальных веществ и смесей;

3) химическое равновесие.

Тепловые балансы составляются на основе первого закона (начала) термодинамики. Фазовые и химические равновесия анализируются на основе второго и третьего законов (начал) термодинамики.

Всякий объект термодинамического изучения называется системой. Совокупность тел, могущих обмениваться между собой или с другими телами энергией и веществом называется термодинамической системой.

Первый закон термодинамики устанавливает связь между полученной и выделенной теплотой, количеством произведенной или полученной работы и изменением внутренней энергии.

Если в результате протекания химической энергии система поглотила количества теплоты Q и совершила работу А. то изменение внутренней энергии ΔU определяется уравнением:

Химические реакции чаще осуществляются при постоянном давлении Р

(ΔР = 0, изобарный процесс). В подобных случаях для характеристики процесса удобнее пользоваться не внутренней энергией U, а энтальпией Н. которая определяется соотношением:

При постоянстве давления Р:

ΔН = Qр , где Qр –тепловой эффект реакции, протекающий при постоянном давлении. Для экзотермической реакции Qр 0

Критерий осуществимости процесса в том или ином направлении устанавливаются вторым законом термодинамики. Второй закон определяет какие из процессов в рассматриваемой системе при заданных температуре давлении, концентрациях могут протекать самопроизвольно, каково количество работы, которая может быть получена при этом, и каков предел возможного самопроизвольного течения процессов, т.е. каково состояние равновесия в данных условиях. Второй закон дает возможность определить далее, какими должны быть внешние условия, чтобы интересующий нас процесс мог происходить в нужном нам направлении и в требуемой степени. С помощью второго закона можно определить количество работы, необходимой для проведения процесса, и зависимость этого количества от внешних условий.




Все это имеет большое значение как для исследования теоретических проблем физической химии, так и для решения различных задач прикладного характера.

Решение практических примеров и задач

1. Расчеты тепловых эффектов химических реакций.

2. Рассчитать теплоты реакций окисления окиси углерода и графита до СО2.

Найти ΔH˚ для реакций:

3. Зависимость теплового эффекта от температуры.

Вопросы для компьютерного тестирования

1. Химическая термодинамика изучает:

тепловые балансы физико – химических процессов, фазовые и химические равновесия;

тепловые балансы физико – химических процессов, фазовые и химические равновесия не изучает;

внутреннюю структуру вещества;

механизм протекания реакции;

внутреннюю структуру вещества и механизм протекания реакции.

2. Термодинамической системой называют:

тело или группу тел, выделяемых для рассмотрения;

малое число молекул;

обмен механической энергии;

обмен тепловой энергии с веществом;

внутренняя структура вещества.

3. Изолированная система:

не обменивается с внешней средой энергией и веществом;

обменивается с внешней средой энергией и веществом;

не обменивается молекулами;

обменивается с внешней средой только энергией;

4. Система называется закрытой:

если между ней и окружающей средой возможны все виды взаимодействия, кроме обмена веществом;

если между ней и окружающей средой возможны все виды взаимодействия и обмен веществом;

если между ней и внешней средой идет обмена молекулами;

если между ней и внешней средой никакой обмен не идет;

если между ней и внешней средой обмен только энергией.

5. Состояние системы характеризуется:

объемом, давлением, температурой, массой, химическим составом;

Тема 2. Термодинамическое равновесие

Химическое равновесие – это такое состояние системы, в которой скорость прямого процесса равна скорости обратного процесса. Характерной чертой химического равновесия является динамичность. Рассмотрим общее термодинамическое условие равновесия.

dF = - pdV – SdT - изохорно – изотермической процесс, энергия Гельмгольца.

dQG = VdV – SdT – изобарно – изотермический процесс, энергия Гиббса.

Для обратимых изобарно – изотермических процессов

dG = 0. Для изохорно – изотермических процессов

dF = 0. Для необратимых процессов, которые протекают в закрытой системе;

Для того, чтобы оценить возможность самопроизвольного протекания реакции и охарактеризовать удаленность системы от состояния равновесия (а также найти величину полезной работы, которую можно получить при обратимом проведении реакции), надо рассчитывать для превращения стехиометрических количеств веществ в реакционной смеси данного состава при постоянных Р и Т.

СОДЕРЖАНИЕ

Тема 1Основы химической термодинамики -. 5

Тема 2Термодинамическое равновесие . 7

Тема 3 Коллоидные состояния………………………………….…. 9

Тема 4 Фазовые равновесия . 11

Тема 5 Двухкомпонентные системы . 13

Тема 6 Трехкомпонентные системы . 15

Тема 7 Растворы. Количественная характеристика растворов . 17

Тема 8 Ациклические углеводороды. 19

Тема 9 Непредельные углеводороды . 21

Тема 10 Алкины . 23

Тема 11 Производные ациклических углеводородов . 24

Тема 12 Кислород содержащие производные углеводородов……..26

Тема 13 Полимерные композиции. 29

Тема 14 Кремнийорганические соединения. 30

Тема 15 Поверхностно-активные и вяжущие вещества. 32

ВВЕДЕНИЕ

Изучение теоретического курса химии cтроительных материалов обязательно сопровождается выполнением практических работ студентов, что также является одной из особенностью кредитной системы обучения. К выполнению практических работ можно приступить тогда, когда будет начато теоретическое изучение курса. На лекциях даются теоретические разделы более сложных тем программы, методические рекомендации для самостоятельного изучения отдельных разделов химии В помощь студентам специально разработаны активные раздаточные материалы – АРМы, где приводятся краткое содержание лекции, контрольные вопросы, тестовые задания и задания СРС, СРСП, указаны сроки сдачи и формы самостоятельной работы, список основной и дополнительной литературы. Для лучшего усвоения изучаемого материала на практических занятиях теория закрепляется решением примеров и задач.

Цель данной методической работы – дать рекомендации студентам при выполнении практических работ по разделам химии строительных материалов.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

Тема 1. Основы химической термодинамики

В химической термодинамике изучается применение законов термодинамики к химическим и физико – химическим явлениям и рассматриваются главным образом:

1) тепловые балансы процессов;

2) фазовые равновесия для индивидуальных веществ и смесей;

3) химическое равновесие.

Тепловые балансы составляются на основе первого закона (начала) термодинамики. Фазовые и химические равновесия анализируются на основе второго и третьего законов (начал) термодинамики.

Всякий объект термодинамического изучения называется системой. Совокупность тел, могущих обмениваться между собой или с другими телами энергией и веществом называется термодинамической системой.

Первый закон термодинамики устанавливает связь между полученной и выделенной теплотой, количеством произведенной или полученной работы и изменением внутренней энергии.

Если в результате протекания химической энергии система поглотила количества теплоты Q и совершила работу А. то изменение внутренней энергии ΔU определяется уравнением:

Химические реакции чаще осуществляются при постоянном давлении Р

(ΔР = 0, изобарный процесс). В подобных случаях для характеристики процесса удобнее пользоваться не внутренней энергией U, а энтальпией Н. которая определяется соотношением:

При постоянстве давления Р:

ΔН = Qр , где Qр –тепловой эффект реакции, протекающий при постоянном давлении. Для экзотермической реакции Qр 0

Критерий осуществимости процесса в том или ином направлении устанавливаются вторым законом термодинамики. Второй закон определяет какие из процессов в рассматриваемой системе при заданных температуре давлении, концентрациях могут протекать самопроизвольно, каково количество работы, которая может быть получена при этом, и каков предел возможного самопроизвольного течения процессов, т.е. каково состояние равновесия в данных условиях. Второй закон дает возможность определить далее, какими должны быть внешние условия, чтобы интересующий нас процесс мог происходить в нужном нам направлении и в требуемой степени. С помощью второго закона можно определить количество работы, необходимой для проведения процесса, и зависимость этого количества от внешних условий.

Все это имеет большое значение как для исследования теоретических проблем физической химии, так и для решения различных задач прикладного характера.

Решение практических примеров и задач

1. Расчеты тепловых эффектов химических реакций.

2. Рассчитать теплоты реакций окисления окиси углерода и графита до СО2.

Найти ΔH˚ для реакций:

3. Зависимость теплового эффекта от температуры.

Вопросы для компьютерного тестирования

1. Химическая термодинамика изучает:

тепловые балансы физико – химических процессов, фазовые и химические равновесия;

тепловые балансы физико – химических процессов, фазовые и химические равновесия не изучает;

внутреннюю структуру вещества;

механизм протекания реакции;

внутреннюю структуру вещества и механизм протекания реакции.

2. Термодинамической системой называют:

тело или группу тел, выделяемых для рассмотрения;

малое число молекул;

обмен механической энергии;

обмен тепловой энергии с веществом;

внутренняя структура вещества.

3. Изолированная система:

не обменивается с внешней средой энергией и веществом;

обменивается с внешней средой энергией и веществом;

не обменивается молекулами;

обменивается с внешней средой только энергией;

4. Система называется закрытой:

если между ней и окружающей средой возможны все виды взаимодействия, кроме обмена веществом;

если между ней и окружающей средой возможны все виды взаимодействия и обмен веществом;

если между ней и внешней средой идет обмена молекулами;

если между ней и внешней средой никакой обмен не идет;

если между ней и внешней средой обмен только энергией.

5. Состояние системы характеризуется:

объемом, давлением, температурой, массой, химическим составом;

Тема 2. Термодинамическое равновесие

Химическое равновесие – это такое состояние системы, в которой скорость прямого процесса равна скорости обратного процесса. Характерной чертой химического равновесия является динамичность. Рассмотрим общее термодинамическое условие равновесия.

dF = - pdV – SdT - изохорно – изотермической процесс, энергия Гельмгольца.

dQG = VdV – SdT – изобарно – изотермический процесс, энергия Гиббса.

Для обратимых изобарно – изотермических процессов

dG = 0. Для изохорно – изотермических процессов

dF = 0. Для необратимых процессов, которые протекают в закрытой системе;

Для того, чтобы оценить возможность самопроизвольного протекания реакции и охарактеризовать удаленность системы от состояния равновесия (а также найти величину полезной работы, которую можно получить при обратимом проведении реакции), надо рассчитывать для превращения стехиометрических количеств веществ в реакционной смеси данного состава при постоянных Р и Т.

Читайте также: