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 .

Категории: Uncategorized, Опубликовано: 20 сентября 2012 автор: Игорь Колупаев | Войти

Нет комментариев

Добавить комментарий - TrackBack- RSS для комментариев

Добавить коментарий

XHTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>