Термодинамические системы.

ВВЕДЕНИЕ. ПРЕДМЕТ ФХ.

ССП – дифференцированный зачет

ПСМ – экзамен.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ипполитов Е.Г., Артемов, А. В. Физическая химия: Учебник для студентов вузов, обучающихся по спец. 032300 " Химия "М.: Академия, 2005.

Из самого названия дисциплины следует, что она является пограничной наукой между химией и физикой. Основная задача физической химии – изучение взаимосвязи разнообразных физических и химических явлений. Поскольку всякое реальное явление сложно, выделение в нем отдельных сторон – физической или химической – достаточно условно. Поэтому порой бывает трудно провести границу между вопросами, изучаемыми физической химией, и отдельными разделами физики и химии.

Основоположником ФХ считается русский ученый М.В. Ломоносов, который впервые в мире прочитал курс ФХ в 1751 году, где он дал следующее определение - «Физическая химия - наука, которая должна на основе положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах.»

Параллельно с чтением курса лекций Ломоносов проводил и практические занятия по ФХ. Он совершил ряд значимых открытий, а именно закон сохранения материи, закон сохранения и превращения энергии, создал кинетическую теорию теплоты, предсказал существования абсолютного нуля температуры и исследовал свойства газообразного состояния вещества и растворов. К сожалению в самостоятельную дисциплину ФХ формируется только к концу 19 в., что способствовало выдающиеся исследования Менделеева, Гиббса, Вант-Гоффа, Нернста и др. В 1887 г. в Лейпцигском университете была создана первая кафедра ФХ и начал выходить специализированный журнал.

Физическая химия – это теоретическая химия, которая рассматривает общие законы, определяющие химические процессы, ФХ дает математическое описание химических процессов, что позволяет перевести изучение химических явлений на компьютерную основу.

Физическая химия – основа химической технологии, она позволяет оптимизировать протекание химических реакций, сделать их более экологически безопасными. Физическая химия изучает строение веществ, связь между структурой и физико-химическими свойствами веществ, т.е. дает основу материаловедения, науки, которая определяет технический прогресс.

Структура физической химии

2.1. Химическая термодинамика – как часть научной дисциплины общей термодинамики – исследует условия равновесия в физико-химических процессах и химических реакциях.

2.2. Теория растворов – ставит целью объяснение и предсказание свойств растворов и их компонентов по свойствам чистых веществ, из которых составлен раствор.

2.3. Равновесия в гетерогенных системах -рассматривают специфические свойств поверхностных слоев жидкостей и твердых тел и их влияние на характеристики системы в целом.

2.4. Химическая кинетика и катализ – протекание во времени и механизмы химических реакций

2.5. Электрохимия -изучает химические процессы, в которых участвуют заряженные частицы – ионы.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФХ.

Сейчас в ФХ используют три независимых метода исследования

- термодинамический

- статистический

- квантово-механический.

На начальном этапе развития данной дисциплины использовали лишь первый, который позволил получить большинство фундаментальных теоретических выводов. Этот метод основан на применении двух основных законов природы – закон сохранения и превращения энергии и закон рассеивания энергии. Эти законы позволили, не делая никаких допущения, получить ряд важных выводов о законах, которым подчиняются химические процессы. Особенность данного метода исследования заключается в том, что он не требует знания механизма изучаемого процесса и выяснения природы сил, вызывающих его. Это играло очень важную роль особенно в начальные периоды развития ФХ, когда представления о механизме превращений были еще очень неопределенными. Но и на современном уровне развития ФХ данный метод не потерял своего значения.

Метод статистической механики – это основной метод исследования второй половины 19 века. Он основывается на том, что изучаемые ФХ системы состоят из огромного числа частиц, находящихся в беспорядочном, хаотичном тепловом движении, которое дает возможность применять к их совокупности законы математической теории вероятности. В отличие от первого метода данный метод требует знания механизма изучаемых процессов.

Третий метод исследования возник в начале 20 века. Метод квантовой механики требует сложного математического аппарата. Многие важные физико-химические выводы были получены этим методом, особенно при расчетах химических равновесий и химической кинетики. Однако необходимо помнить, что для решения одной и той же задачи в некоторых случаях могут быть использованы различные независимые методы. Так же в ФХ используют также физические и химические экспериментальные методы исследования.

ПРЕДМЕТ ТЕРМОДИНАМИКИ.

Термодинамика – это базовый раздел ФХ, изучающий взаимные превращения теплоты и работы в равновесных системах и при переходе к равновесию. В термодинамике не обязательно знать механизм происходящих процессов, и скорость с которой они протекают, здесь важны лишь начальные и конечные состояния изучаемой системы, а не путь перехода системы из одного состояния в другое.

Термодинамические расчеты являются альтернативой дорогостоящему эксперименту, они позволяют сократить материальные и временные затраты при разработке новых материалов и технологических схем. С их помощью можно предсказать результат поведения веществ при очень высоких или низких температурах и давлениях.

Основным преимуществом термодинамики при решении прикладных задач является ее универсальность - объекты могут быть самыми разными, при этом способы прогнозирования их поведения оказываются одними и теми же.

Основные понятия химической термодинамики

Термодинамические системы.

Термодинамическая система – это часть материального мира, отделенная от окружающей среды реальными или воображаемыми границами и являющаяся объектом исследования термодинамики. Окружающая среда значительно больше по объему, и поэтому изменения в ней незначительны по сравнению с изменением состояния системы. В отличие от механических систем, которые состоят из одного или нескольких тел, термодинамическая система содержит очень большое число частиц, что порождает совершенно новые свойства и требует иных подходов к описанию состояния и поведения таких систем. Термодинамическая система представляет собой макроскопический объект.