Физическая химия. T1

Термодинамика. Лекция Т1. «Предмет физической химии».

• Содержание.
Структура курса, литература, идеология, меню.
• Введение.
Предмет физической химии, вехи истории, теоретические и экспериментальные методы физической химии.
Ссылки.
1.1. Жуховицкий А. А., Шварцман Л. А., Физическая химия. Учебник для ВУЗов, М., Металлургия, 1988, 520с ил.
1.2. Полторак О. М., Термодинамика в физической химии, М., Высшая школа, 1990, 319с ил.
1.3. Пригожин И., Дефэй Р., Химическая термодинамика, Новосибирск, Наука, 1966, 508 с ил.
1.4. Киреев В. А. , Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций, М., Химия, 1975, 528с. Ил.
1.5. Соколовская Е.М., Гузей Л. С. ,Металлохимия, М., изд. МГУ, 1298, 264с. ил.
1. Банальности для начала.
Физическая химия (ФХ) занимается:
применением принципов теоретической физики к химическим проблемам;
применением методов экспериментальной физики к задачам химии.
2. Определение основных понятий.
Система – совокупность элементов, которые по какому-либо признаку могут быть выделены из окружающей среды.
Окружающая среда, граница – способ выделения системы.

Рис.1.1. «В мире нет ничего, кроме границ (S) и объемов (V)». Обмен через границы (e), события внутри (i).

Для данной системы в данных условиях имеется определенное число свойств (или переменных), которые необходимо задать, чтобы полностью определить состояние системы. Выбор – произвольный.

пример Объем (V), масса (m), давление (P),абсолютная температура (T) и т.д.
А еще? → механические напряжения (твердое тело), концентрация (однородная смесь), выделение частей (гетерогенные системы), кинетическая энергия частей, форма частей, поверхностная энергия, электрохимия, ….

3. Простое — сложное.
Закона микромира – основа для описания свойств макроскопических объектов (в принципе …). Сложность системы – новое качество, новые понятия, новые принципы описания.

пример Идеальный газ – система из N молекул, взаимодействием между которыми можно пренебречь. Расстояния между молекулами значительно больше, чем длина волны Де Бройля (классические траектории), законы движения из классической механики.
Идеальный газ – простая система.

4. Одно из состояний — равновесие.
Система предоставлена «самой себе», все кончилось…
Как предсказать это состояние? Два пути:
(постулаты) + (логика) → (неравенства или дифференциальные уравнения).
(эксперимент) + (конкретная взаимная согласованность) → (трудоемко громоздко в хранении и использовании).

пример Термодинамический расчет фазовых диаграмм – определение равновесных состояний сплавов: материаловедение.

Главное – не сам расчет, а определение термодинамических функций.
5. Состояние системы.
Механика считает, что состояние системы задано, если заданы начальные положения и скорости каждой из N частиц, ее составляющей: 6N переменных!
Состояние динамической системы описывается совокупностью физических переменных x1(t), x2(t),…,xn(t), характеризующих поведение системы в будущем, при условии, что известно состояние в исходный момент времени и приложенные к системе воздействия.
Уравнение состояния или .

пример 6N переменных ↔
(микро) (макро)

Авогадро Амадео 1776 1856 Состояние идеального газа
Число Авогадро
Аррениус
Сванте 1859 1927 Скорость химической реакции
Энергия активации, закон Аррениуса
Больцман Людвиг 1844 1906 Постоянная Больцмана
Формула статистической энтропии
Бор
Нильс 1885 1962 Планетарная модель атома водорода
Вант-Гофф
Якоб 1852 1911 Теплота химической реакции
Кинетика реакции
Гельмгольц
Герман 1821 1894 Химическая термодинамика
Генри
Уильям 1774 1836 Теория растворов
Закон Генри
Гесс
Герман Иванович 1802 1856 Термохимия
Закон Гесса
Гиббс Джозайя 1839 1903 Функции состояния системы
Правило фаз Гиббса
Понятие химического потенциала и т.д.
Гольдшмидт
Виктор 1888 1947 Кристаллохимия
Дальтон
Джон 1766 1844 Теория растворов
Смеси газов, закон Дальтона
Дебай
Петер 1884 1966 Динамика кристаллической решетки
Дебаевская температура
Де Донде
Теофил 1873 1957 Химическая термодинамика
Джоуль
Джеймс 1818 1889 Теория теплоты
Постоянная Джоуля
Дюлонг
Пьер 1785 1838 Теплоемкость
Правило Дюлонга и Пти
Карно
Сади 1796 1832 Вечный двигатель
Цикл Карно
Кирхгоф
Густав 1824 1887 Химическая термодинамика
Законы излучения, электродинамика
Клаузиус
Рудольф 1822 1888 Химическая термодинамика
Энтропия «по Клаузиусу»
II — начало термодинамики
Ле Шателье
Анри 1850 1936 Химическое равновесие
Правило Ле Шателье
Ломоносов
Михайло
Васильевич 1711 1775
Определение физической химии
Майер
Роберт 1814 1878 Закон сохранения энергии
Максвелл
Клерк 1831 1878 Статистика газов, теплоемкость, электродинамика
Менделеев
Дмитрий Иванович 1834 1907 Периодический закон
Парциальные мольные объемы
Уравнение Менделеева — Клапейрона
Нернст
Вальтер 1864 1941 Химическая термодинамика
III — начало термодинамики
Онсагер
Ларс 1903 Неравновесная термодинамика
Уравнение Онсагера
Оствальд
Вильгельм 1853 1932 Химическая термодинамика
Правило Оствальда
Пригожин
Илья 1902 Неравновесная термодинамика
Формула возрастания энтропии
Паскаль
Поль 1880 1968 Гидродинамика
Единица измерения давления
Планк
Макс 1850 1947 Статистическая теория, излучение
Постоянная Планка
Пти
Алекс 1791 1820 Теплоемкость
Правило Дюлонга и Пти
Рауль
Франсуа 1830 1901 Теория растворов
Закон Рауля
Эйнштейн
Альберт 1879 1955 Теория фотоэффекта, относительности
Теплоемкость, статистика
Эйринг
Генри 1907 1981 Теория скоростей химических реакций

Термодинамика химических реакций должна быть по необходимости термодинамикой необратимых явлений. Необратимость предполагает «жить по понятиям»: «время жизни» и «время» вообще.

1. Потребности производства.
Машиностроение, электроника, строительство, экология.
2. Среда пользователя.
Промышленное производство, образование, прикладные исследования
3. Основные потребности пользователей (материаловедение).
• Изучение фазовых переходов;
• Изучение свойств растворов;
• Определение тепловых эффектов химических реакций.
4. Основные задачи пользователей (материаловедение).
• Поиск эффективных катализаторов;
• Расчет химических равновесий;
• Исследование необратимых реакций;
• Развитие базы данных широкого круга материалов;
• Проблемы геологии, геохимии, биотехнологии.
5. Проблемы физической химии.
• Проблема химического равновесия;
• Проблема скорости химической реакции;
• Проблема химической связи, т.е. реакционной способности.

Определение
1752
Ломоносов М.В. Физическая химия – наука, объясняющая на основе положений и опытов физических причину того, что происходит через химические операции в сложных телах.

Существуют два метода описания состояния больших систем:
Феноменологический (классический) и
Статистический (квантовый).
Теория химических превращений объединяет оба метода: термодинамические параметры реакции не зависят от масштаба ее проведения – от лаборатории до производства.

Термодинамика (ТД).
Главное содержание ТД – превращение механической энергии в теплоту и теплоты – в механическую работу.

пример
Механика Ньютона. Энергия как способность производить работу: и .

(ТД) – опора на эмпирические законы. Выводы имеют общий характер.
(ТД) – рациональная основа предсказательных расчетов.
(ТД) – специальная область механики. Механика огромного числа частиц.
(ТД) – теория теплоты.
Основа ТД – постулаты:
• I — начало – принцип сохранения энергии;
• II – начало – направление изменения энергии;
• III – начало – начало отсчета внутренней энергии.
Основное понятие ТД – равновесие: состояние называется равновесным, когда оно не меняется со временем, если не меняются граничные условия.
Итак, определение системы сделано:
• Изолированная система – запрет на обмен с окружающей средой веществом и энергией;
• Закрытая система – запрет на обмен с окружающей средой веществом;
• Открытая система – запрет на запреты по обмену с окружающей средой;
Превращения систем:
Через набор равновесных состояний – обратимое;
Через неравновесные (реальные!) состояния – необратимое;
Возвращение к начальному состоянию – циклическое.

аналогия Механика Ньютона.
(работа) = -(изменение энергии) Термодинамика.
(работа) = -(изменение энергии)+ (теплота)

Статистическая механика.

Статистическая механика — новый математический аппарат;
Статистическая механика — новый способ мышления.
Главное содержание – понятие среднего (теория вероятностей).

определение
Случайная величина может принимать различные числовые значения с определенной вероятностью.
Дискретная – имеется в виду вероятность данного значения величины , непрерывная – вероятность «попадания» в интервал

аналогия Случайная величина Случайная ситуация – может осуществляться большим числом способов.

определение
Равновесная ситуация (равновесие) – предельно случайная ситуация, состояние, которое не меняется со временем. Случай может разрушить «порядок», но никогда не создаст «порядок».

Задача статистической механики – способы вычисления среднего.

• Глоссарий.
Система – совокупность элементов, которые по какому-либо признаку могут быть выделены из окружающей среды.
Окружающая среда, граница – способ выделения системы.
Уравнение состояния — или .
Мораль Т1.
Для материаловеда,
который прогнозирует оптимальное применение материала в конкретных условиях,
физическая химия является основой,
которая ограничивает предельные возможности материалов и технологий их обработки и выявляет «скрытые» перспективы применения известных материалов.
В отличие от эмпирических рекомендаций и аналогий
физическая химия трансформирует законы физики и химии в форму, пригодную для практического использования.

Уместный вопрос Возможный ответ
Чем отличаются понятие «система» и «состояние системы»?

Какой смысл вкладывается в определение «равновесие»?

Чем отличаются понятие «равновесие» и «частичное равновесие»?

• Приложения.

пример
Объем воздуха (00С, 105Па) 10 см3 содержит = 2.69∙1020 молекул.
1% этого объема (∆V) составляет 0.1см3. Среднее число молекул в объеме (∆V) 2.69∙1020, а вне его – 2.66∙1020. Вероятность отклонения от среднего значения на 0.01% равна .
Выделим объем ∆V 10-3мкм3, т.е. 10-15см3. Та же вероятность равна , что почти достоверно!

Книга известного материаловеда «Война и мир» содержит ~2330 стра-ниц. Если считать на странице по 45 строк и около 50 знаков (с про-белами) в строке, окажется ~5.25∙106 знаков. Для набора тек-ста используется ~50 клавиш, веро-ятность того, что в данную секунду обезьяна нажимает одну из них – 1/50. Вероятность случайного соз-дания бессмертного произведения .

Про «нужно»…

И никак не находишь файл,

Вобщем, и ненужный, но его так хотелось посмотреть перед важной работой,

За которую так не хочется браться, но нужно.

Начнем с таблицы.

Туда помещаешь крупицы того,

Что уже сделано.

Так вот из «ничего» рождается «целое».

Наконец, ненужный файл находится

И кажется, не так и болит голова,

И слово начинает цепляться за слово

Даже внутри ненужной таблицы.

Однако позавтракать тоже неплохо. И может желание поработать

Само прекратится.

Истинное творчество ― это соучастие

Благодаря этому у меня сформировался новый взгляд на рациональные пути познания, так называемых «законов природы», естественными науками.

Я уверен, что научное изучение возможно только, если воспринимать мир разумно устроенным и познаваемым (Верить в это!). Более того, познание мира человеком возможно при условии, что человек подобен Богу, который сотворил этот мир. Например хаос, который образуется в результате воздействия сил зла, для человека непознаваем. Сама склонность человека к познанию, к всевозможным попыткам свести все к единому началу, свидетельствует о подсознательном знании человеком Бога и глубинном стремлении познать Его (объединиться с Ним).

Я думаю, что любое истинное познание ― это, в конечном счете, познание Бога, а истинное творчество ― это соучастие в Божьем творении мира.

Познание Бога ― это сверхъестественное стремление человека объединится с Ним в истинном прекрасном и бессмертном бытии.

Меня смущает:

(1) Почему законы природы «так называемые», а науки «естественные»?

(2) Почему «единое начало» не имеет альтернативы? Иначе пришлось бы рассматривать двух Богов? Инь и Янь? Трех? Язычничество?

Все приходит слишком поздно.

Все приходит слишком поздно и поэтому оно

Так безвкусно, пресно, постно: временем охлаждено.

Слишком поздно – даже слава, даже деньги на счету,

Ибо сердце бьется слабо, чуя бренность и тщету.

А когда-то был безвестен,

Голоден,

Свободен,

Честен, презирал высокий слог.

Жил, не следуя канонам,

Ибо все, что суждено нам, вовремя приходит, в срок.

А. Межиров.

Спектральный анализ, «Несчастный случай».

Проклятые рифмы распались на скрежет и гул —

Искать их трудней, чем иголку в стогу,

Особенно если искать на бегу,

А я-то бегу еще как, и при том «ни гу-гу»…

И что? «все, что суждено нам, вовремя приходит, в срок»?

«…Гу – гу – гу…» сильнее.  А вот, поди ж ты, совпало рядом.

Маленькие дела формируют привычку.

В обычном мирском представлении приведенные примеры ― сущие пустяки. Но я помню слова из притчи Иисуса Христа:
«Господин его сказал ему: хорошо, добрый и верный раб! В малом ты был верен, над многим тебя поставлю; войди в радость господина твоего». Мф.25.21.
И еще раз повторю, что для меня это Путь. Маленькие дела формируют привычку контролировать себя, состояние своего сердца и судить о своих поступках. А привычка формирует характер.
Регулярное чтение Евангелия, попытки вникнуть в суть каждого стиха открывает глубину смысла этой книги.
Первое и самое главное, что поражает в Евангелии, это встреча с живым Богом, с живым Человеком ― Иисусом Христом, который прямо обращается к твоей душе.
Второе, это предельная честность изложения происходящих событий. Евангелисты излагают все проступки и человеческие слабости апостолов, подробно показывают их трудный путь к святости. Парадоксальность и алогичность отдельных стихов и сюжетов формирует абсолютную уверенность в том, что никаким человеческим, самым гениальным, умом создать такое «литературное» произведение невозможно! Одновременно чувствуешь, как наполняется душа чем-то истинным, прекрасным, вечным.

Меня смущает:
(1) «предельная честность». Это – как «первая свежесть» у Булгакова?
(2) «наполняется душа чем-то истинным…» в результате признания невозможности. Уничижение паче гордости?

Простой ответ.

«…для меня не убедительно никакое мировоззрение, кроме веры».
С.С. Аверинцев
Познание

Ключевым моментом изменения моих взглядов было новое восприятие мистического. Сегодня мне понятно, например, что у нас нет материальных органов чувств для ощущения мира духовного (невидимого), но я доверяю Богу, что в этом есть смысл. Важнейшие духовные сущности, такие как: Любовь, Красота, Истина, Жизнь, Добро, Вера, Свобода, Разум, Тайна, и так воспринимаются практически каждым человеком без специальных органов.

Первый реальный опыт ощущения Бога я получил в общине, в группе молитвенного чтения Евангелия.
На общине собираются совершенно разные по возрасту, характеру и специальности люди, которых объединяет желание еще одним путем, кроме литургии, молитвы и индивидуального чтения духовной литературы получить Духа. Слушая рассуждения другого о прочитанном стихе открываешь такие неожиданные и важные для меня истины, что всплывают в памяти слова:
«… ибо, где двое или трое собраны во имя Мое, там Я посреди них.» Мф.18.20.
Но бывает один из выступающих, начинает длинный монолог о философских или богословских проблемах, которые его заинтересовали в недавно прочитанной книге. Слушаешь, слушаешь, а в душе уже зреет осуждение и раздражение. И тогда понимаешь:
«Любовь долго терпит, милосердствует, любовь не завидует, любовь не превозносится, не гордится, не бесчинствует, не ищет своего, не раздражается, не мыслит зла, не радуется неправде, а сорадуется истине; все покрывает, всему верит, всего надеется, все переносит.» 1Кор. 13.4-7.
И возникает вопрос: есть ли во мне сейчас Любовь? Бог это ― Любовь.
Ответ прост: значит, я уже потерял Духа.

Есть очень правильный человек, Евгений Силаев. Он взялся написать отчет, и вышло так, что он не возражает против комментариев. А хотя бы и моих… Начнем?

Мое  мировоззрение

Евгений Силаев

«Верую, Господи! помоги моему неверию.»

Мк.9.24

Самое главное и самое убедительное свидетельство христианской веры заключается в изменениях, происходящих с человеком. На первом этапе такие изменения заметны только самому практикующему христианину. Подводя итоги десятилетнего пути от атеизма и материализма к христианской вере, я понял, что к большому моему сожалению, существенно изменилось во мне только мое мировоззрение, а во всем остальном я остался «ветхим» маловерующим человеком. Но я уверен, что Христианство ? это Путь и надо по нему идти к вере, и это теперь согласуется с моими новыми воззрениями.

Думаю,  что  апостол  Павел  или св. Серафим Саровский  не ощущали потребности формулировать свое взгляды на окружающую действительность. Изложение сути  нашего мира, в их понимании, мало отличалось бы от Евангельских истин. В самой  основе их жизни было цельное и прочное основание ? Иисус Христос. Сильные и цельные личности проявляют свои взгляды поступками. Другие больше говорят, как надо жить и меньше делают, вплоть до маниловского  ? «… следить какую-нибудь этакую науку, чтобы этак расшевелило душу, дало бы так сказать, паренье этакое…». В связи с этим, я знаю, что работа над формированием моего мировоззрения  ? это изготовление «духовного костыля».
Не хватает цельности и прочности основания, на котором я продолжаю строить свою жизнь. Нет уверенности, нет устойчивости, ? вот и ищешь дополнительную опору. Но, всё таки, публикация моего мировоззрения ? это и духовная работа, на которую я сегодня способен и дай Бог не совсем тщетная, и публичное покаяние, а местами и попытки самооправдания.

Обеими руками – факт публикации это очень много!

Довериться методам Матлаба.

Анализ снов, релаксация как «оглядывание назад» – не более замысловатая техника, чем обработка изображений. С какого места становится понятным набор пятен на плоскости? Как я оцениваю свой вчерашний день? Что такое хорошо и что такое плохо? Есть «банальная» методика: реконструкция изображений. Важной частью этого дела является операция эрозии, «бездумного отъедания» от каждого элемента изображения заранее определенного «кусочка», хоть и одного пикселя. Вопрос в том, где остановиться. Один шаг эрозии – исчезла мелочь, откровенный шум. Еще разок? Ну вот, стали определяться важные темы. Еще? Что осталось? И форма изменилась, и расположение как бы не такое. Теперь главное – что это было? Нужно совместить оба изображения и оставить только те элементы исходного, которые совпали хоть одним пикселем с проработанным. Вот, оказывается, что было важно! Во всяком случае, его было больше. Вот, если только одно сливается с другим и отделить их для честной эрозии не удается, нужно довериться проверенным методам Матлаба.

Не хуже буддизма.

Вернусь к релаксации типа «одно мгновение», или «миг», а может и «момент». То есть, имеет ли смысл закрывать глаза, когда смотришь в небо и чувствуешь свою вину? Правильно заметил профессор: «видеть, чтобы двигаться и двигаться, чтобы видеть». А что в пустом небе увидишь? Так что двигаться вроде некуда, и начинается «оглядывание назад», «на минутку» глаза закрываются, сон? Чем не сон – моя версия себя вчерашнего! Значит, берется изображение и проводится обработка. Самое простое – «the objective of the lecture is to use circle detection (an elementary image analysis problem) as an example of demonstrating how to make a better use of MATLAB to solve image processing problems». Наверняка MATLAB не хуже буддизма.

Не пойду.

There is a common understanding among the people that loosing oneself is where one looses one’s senses and starts to be indifferent. There is however a controlled way of loosing oneself. There is just one religion that has strongly felt its need. Other religions are very much bounded and they give more emphasis on the self. Only Buddhism has the courage to say loosing oneself is the right way to understand the true self. Only then you can truly mingle with the universal traits and understand the place where you come from.

Среди людей существует убеждение, что теряя себя, люди теряют рассудок и становятся равнодушными. Есть, однако, сознательный способ потерять себя. Существует только одна религия, которая твердо убеждена в необходимости этого. Другие религии весьма ограничены и уделяют основное внимания себе. Только буддизм имеет мужество сказать, что потеря себя — правильный путь понимания себя подлинного. Только тогда вы действительно достигаете универсальной черты и осознаете место, откуда пришли.

Вот направление, по которому не пойду. Привет, буддисты. Лучше латынь: «то, что мучительно, непродолжительно». 

« vorherige Seite