Полная версия

Главная arrow Товароведение arrow Физическая и коллоидная химия

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ТЕРМОДИНАМИКА

ВВЕДЕНИЕ В ХИМИЧЕСКУЮ ТЕРМОДИНАМИКУ

В результате изучения материала главы 1 студент должен:

знать основные понятия и определения химической термодинамики; уметь оперировать полученными знаниями, делать основные выводы из уравнения состояния идеальных газов;

владеть понятийным аппаратом химической термодинамики.

Возникновение и развитие

Важнейшую роль в создании представлений о химическом сродстве и химическом процессе сыграли физические исследования середины XIX в. в области термодинамики. Еще в 1765 г. Дж. Уатт начат экспериментальные исследования паровой машины, которые затем были продолжены широким кругом исследователей. Никола Леонар Сади Карно, исследуя практическую задачу преобразования тепла в работу паровых машин, предложил рассматривать этот принцип в самом общем смысле, сформулировав тем самым общий метод решения задачи — термодинамический, заложивший основу термодинамики. Определяя коэффициент полезного действия (КПД) тепловых машин, Карно вывел свой знаменитый цикл, КПД которого не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа и т.д.) и определяется лишь температурами теплоотдатчика и теплоприемника.

Карно первым вскрыл связь теплоты с работой, хотя и исходил поначалу из концепции теплорода, признававшей теплоту неизменной по количеству субстанцией. Так или иначе, Карно заложил основы термодинамики как раздела физики, изучающего наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика стала развиваться па основе фундаментальных принципов или начал, являющихся обобщением результатов многочисленных наблюдений и экспериментов.

Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам) гласит: при сообщении термодинамической системе определенного количества теплоты в общем случае происходит приращение внутренней энергии системы, и она совершает работу против внешних сил. Выше отмечалось, что первым, кто связал теплоту с работой, был Карно, но его работа о механическом эквиваленте теплоты в силу запоздалой публикации не оказала решающего воздействия на формирование первого начала термодинамики. Однако идея о том, что теплота — не субстанция, а сила (энергия), одной из форм которой и является теплота, и эта сила, в зависимости от условий, выступает в виде движения, электричества, света, магнетизма, теплоты, которые могут превращаться друг в друга, — существовала в умах исследователей. Для превращения данной идеи в ясное и точное понятие необходимо было определить общую меру этой силы. В 1840-х гг. это сделали независимо друг от друга Р. Майер, Дж. Джоуль и Г. Гельмгольц.

Юлиус Роберт Майер в 1842 г. сформулировал закон эквивалентности механической работы и теплоты и рассчитал механический эквивалент теплоты. Джеймс Прескотт Джоуль экспериментально подтвердил предположение о том, что теплота является формой энергии, и экспериментально доказал эквивалентность превращения механической работы в теплоту. Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц в 1847 г. математически обосновал закон сохранения энергии, показав его всеобщий характер.

Рудольф Юлиус Иммануил Клаузиус и Уильям Томсон (лорд Кельвин) в начале 1850-х гг. сформулировали второе начало термодинамики, утверждающее невозможность самопроизвольного перехода теплоты от менее нагретого тела к более нагретому (Клаузиус) и невозможность полного преобразования теплоты в работу (Томсон). Клаузиус начал детально разрабатывать механическую теорию теплоты, ввел в термодинамику важнейшие понятия внутренней энергии и энтропии.

Распространив принцип возрастания энтропии замкнутой системы на всю Вселенную, Клаузиус высказал гипотезу о тепловой смерти Вселенной. Концепция "тепловой смерти" у Клаузиуса заключена в формулировке второго начало термодинамики в виде следующего положения: энтропия Вселенной стремится к максимуму. Постулат Клаузиуса и концепция тепловой смерти вызвали большое количество возражений; были придуманы многочисленные эксперименты, казалось, противоречащие принципу Клаузиуса. Очень тонкий мысленный эксперимент, например, осуществил в 1870 г. Максвелл (так называемый демон Максвелла).

Развивая взгляды Клаузиуса, Людвиг Больцман и Джеймс Клерк Максвелл в 1870-е гг. показали статистический характер второго начала термодинамики. Формулировки второго начала термодинамики не соответствовали традиционным механическим представлениям, согласно которым все процессы обратимы. Кинетическая теория теплоты сделала это несоответствие противоречием. Эти трудности были преодолены Максвеллом и Больцманом, которые ввели понятие вероятности физических явлений и поставили на место динамических законов в механике статистические законы в термодинамике. Закон возрастания энтропии у Больцмана получил простую интерпретацию: система стремится к наиболее вероятному состоянию.

Значительно позже — в 1906—1911 гг. — различные формулировки третьего начала термодинамики, позволившего рассчитывать абсолютные значения энтропии вещества, предложили Вальтер Герман Нернст и развивший его взгляды Макс Карл Эрнст Людвиг Планк.

Окончательно взаимосвязь между механическими процессами и тепловыми явлениями была установлена в кинетической теории газов. Гельмгольц в 1847 г. выдвинул гипотезу о том, что внутренняя причина взаимопревращения механической работы и теплоты лежит в сведении тепловых явлений к явлениям механического движения. В 1856-1857 гг. немецкий физик Август Карл Крёниг и Рудольф Клаузиус разработали кинетическую теорию теплоты, получив уравнение, связывающее среднюю кинетическую энергию молекул с температурой. Статистический метод в теорию газового состояния ввели в 1860—1865 гг. Л. Больцман и Дж. Максвелл. Большое значение для создания кинетической теории теплоты имели исследования законов газового состояния. На основе законов Бойля и Гей-Люссака французский физик Бенуа Поль Эмиль Клапейрон получил в 1834 г. уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона), обобщенное в 1874 г. Д. И. Менделеевым. В 1871 г. в своей дипломной работе Иоганн Дидерик Ван-дер-Ваальс вывел уравнение состояния реальных газов, учитывающее взаимное притяжение молекул газа и их собственный объем.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>