Egyensúlyi termodinamikai rendszerek. Termodinamikai egyensúlyi feltételek. A reverzibilitási kritériumok mint egyensúlyi kritériumok
A makroszkopikus rendszerek gyakran rendelkeznek „memóriával”, úgy tűnik, emlékeznek a történelmükre. Például, ha egy kanál segítségével megszervezi a víz mozgását egy csészében, akkor ez a mozgás egy ideig, de tehetetlenséggel folytatódik. Az acél különleges tulajdonságokat szerez megmunkálás után. Idővel azonban az emlékezet elhalványul. A víz mozgása a csészében leáll, az acél belső feszültségei gyengülnek a plasztikus deformáció miatt, a koncentráció inhomogenitása csökken a diffúzió miatt. Vitatható, hogy a rendszerek hajlamosak viszonylag egyszerű állapotokat elérni, amelyek függetlenek a rendszer korábbi történetétől. Bizonyos esetekben ennek az állapotnak az elérése gyorsan, egyes esetekben - lassan történik. Azonban minden rendszer hajlamos olyan állapotokra, amelyekben tulajdonságaikat belső tényezők határozzák meg, és nem korábbi zavarok. Az ilyen egyszerű, korlátozó állapotok definíciójuk szerint függetlenek az időtől. Ezeket az állapotokat egyensúlyi állapotoknak nevezzük. Lehetségesek olyan helyzetek, amikor a rendszer állapota változatlan, de tömeg- vagy energiaáramok zajlanak benne. Ebben az esetben jön nem az egyensúlyról, hanem az álló állapotról.
A termodinamikai rendszer állapotát, amelyet állandó külső körülmények között a paraméterek időbeni változhatatlansága és az áramlások hiánya jellemez a rendszerben, egyensúlynak nevezzük.
Egyensúlyi állapot- az a korlátozó állapot, amelyre a külső hatásoktól elszigetelt termodinamikai rendszer hajlamos. Az elkülönítési feltételt úgy kell érteni, hogy a rendszerben az egyensúlyteremtési folyamatok sebessége jóval magasabb, mint a feltételek határainál történő változás mértéke. Példa erre a tüzelőanyag elégetése a rakétamotor égéstérében. Az üzemanyag -elem tartózkodási ideje a kamrában nagyon rövid (10 - 3 - 1 (N s)), de az egyensúly megteremtésének ideje körülbelül 10 ~ 5 s. Egy másik példa az, hogy a földkéreg geokémiai folyamatai nagyon lassan haladnak , de az ilyen típusú termodinamikai rendszerek létezésének idejét millió millió évre számítják ki, ezért ebben az esetben a termodinamikai egyensúly modellje alkalmazhatónak bizonyul.
A bevezetett koncepció segítségével a következő posztulátumot fogalmazhatjuk meg: vannak egyszerű állapotok speciális állapotai - olyanok, amelyeket teljesen jellemeznek a belső energia makroszkopikus értékei U, hangerő Vés az anyajegyek száma n és n 2> i., kémiai összetevők. Ha a vizsgált rendszer összetettebb mechanikai és elektromos tulajdonságokkal rendelkezik, akkor növekszik az egyensúlyi állapot jellemzéséhez szükséges paraméterek száma (figyelembe kell venni a felületi feszültségi erők, a gravitációs és elektromágneses mezők stb. Jelenlétét).
Gyakorlati szempontból a kísérletezőnek mindig meg kell állapítania, hogy a vizsgált rendszer egyensúlyban van -e. Ehhez nem elegendő a látható változások hiánya a rendszerben! Például két acélrúd azonos lehet kémiai összetétel, de teljesen más tulajdonságok miatt mechanikus feldolgozás (kovácsolás, préselés), hőkezelés, stb. egyikük. Ha a vizsgált rendszer tulajdonságait nem lehet leírni a termodinamika matematikai készülékével, akkor ez az talán azt jelenti, hogy a rendszer nincs egyensúlyban.
A valóságban nagyon kevés rendszer éri el az abszolút egyensúlyt. Különösen ebben az állapotban minden radioaktív anyagnak stabil formában kell lennie.
Vitatható, hogy egy rendszer egyensúlyban van, ha tulajdonságait megfelelően leírják a termodinamikai készülék segítségével.
Hasznos megjegyezni, hogy a mechanikában az egyensúly mechanikus rendszer- egy mechanikus rendszer állapota az erők hatására, ahol minden pontja nyugalomban van a figyelembe vett referenciakerethez képest.
Tekintsünk két példát a termodinamikai egyensúly fogalmának tisztázására. Ha kapcsolatot létesít a termodinamikai rendszer és környezet, akkor általános esetben egy folyamat kezdődik, amely a rendszer egyes paramétereinek változásával jár. Ebben az esetben néhány paraméter nem változik. Legyen a rendszer egy hengerből, amelyben a dugattyú található (1.9. Ábra). A kezdeti időpontban a dugattyú rögzítve van. Jobbra és balra gáz van tőle. A dugattyú bal oldalán lévő nyomás az R A, jobb oldalon - R ben, és p A> p b Ha a rögzítőt eltávolítják, a dugattyú elengedve jobbra kezd mozogni, miközben az alrendszer térfogata DE növekedni kezd, és a jobb - csökkenni fog (-D V B = D V A). Alrendszer DE energiát veszít, alrendszer BAN BEN megszerzi őt, nyomás p A esik, nyomás p in növekszik, amíg a dugattyú bal és jobb oldali nyomása egyenlővé nem válik. Ebben az esetben az alrendszerek gáztömegei a dugattyútól balra és jobbra nem változnak. Így a vizsgált folyamat során az energia a nyomás és a térfogat változása miatt egyik alrendszerből a másikba kerül. A vizsgált folyamat független változói a nyomás és a térfogat. Ezek az állapot paraméterei a dugattyú elengedése után egy ideig állandó értékeket vesznek fel, és mindaddig változatlanok maradnak, amíg a rendszert kívülről nem befolyásolják. Az elért állapot egyensúly.
Egyensúlyi állapot - ez egy vagy több rendszer és a környezetük közötti kölcsönhatás folyamatának végső állapota.
Amint az a példából kitűnik, az egyensúlyi rendszer paraméterei a rendszer (alrendszerei) kezdeti állapotától és a környezettől függenek. Meg kell jegyezni, hogy ez a kapcsolat a kezdeti és a végállapot között egyoldalú, és nem teszi lehetővé a kezdeti egyensúlyi állapot visszaállítását az egyensúlyi állapot paramétereire vonatkozó információk alapján.
Rizs. 1.9.
A termodinamikai rendszer egyensúlyban van, ha minden állapotparaméter nem változik, miután a rendszert elkülönítették más rendszerektől és a környezettől.
Az egyensúly megteremtésének mérlegelési folyamatának hajtóereje a dugattyú bal és jobb oldali nyomáskülönbsége volt, azaz az intenzív paraméterek különbsége. A kezdeti pillanatban Ap = p l-r in* 0, a végén Ap = 0, p "A = Pb-
Másik példaként tekintsük az ábrán látható rendszert. 1.10.
Rizs. 1.10.
Rendszerhéjak DEés BAN BEN - nem deformálható és hőálló (adiabatikus). A kezdeti pillanatban a gáz a rendszerben BAN BEN szobahőmérsékletű, víz van a rendszerben DE fűtött. A rendszer nyomása BAN BEN nyomásmérővel mérik. Egy bizonyos ponton a hőszigetelő réteg között DEés BAN BEN eltávolítják (míg a fal alaktalan marad, de hőáteresztővé válik (diatermikus)). A rendszer nyomása BAN BEN növekedni kezd, nyilvánvaló, hogy az energia átvitelre kerül A a B -ben, ugyanakkor nem figyelhetők meg látható változások a rendszerekben, nincsenek mechanikus mozgások. Előretekintve azt mondjuk, hogy ez az energiaátviteli mechanizmus a termodinamika második törvényével igazolható. Az előző példában az egyensúly kialakítása során két koordinátát - a nyomást és a térfogatot - módosítottak. Feltételezhető, hogy a második példában két koordinátát is meg kell változtatni, amelyek közül az egyik a nyomás; a második változását nem tudtuk megfigyelni.
A tapasztalatok azt mutatják, hogy egy bizonyos idő elteltével a rendszerek állapota A B. megszűnik a változás, egyensúlyi állapot jön létre.
A termodinamika az egyensúlyi állapotokkal foglalkozik. Az "egyensúly" kifejezés azt jelenti, hogy a rendszeren és a rendszeren belül minden erő hatása kiegyensúlyozott. Ebben az esetben a hajtóerő nulla, és nincs áramlás. Az egyensúlyi rendszer állapota nem változik, ha a rendszert elszigetelik a környezettől.
Külön egyensúlyi típusok vehetők figyelembe: termikus (termikus), mechanikus, fázisos és kémiai.
Egy államban lévő rendszerben termikus Egyensúlyi állapot esetén a hőmérséklet bármely ponton ugyanaz, és nem változik az idő múlásával. Egy államban lévő rendszerben mechanikai egyensúly, a nyomás állandó, bár a nyomás nagysága pontról pontra változhat (vízoszlop, levegő). Fázis egyensúly - egyensúly az anyag két vagy több fázisa között (gőz - folyadék; jég - víz). Ha a rendszer elérte az állapotot kémiai egyensúly, a koncentrációváltozások nem mutathatók ki benne kémiai anyagok.
Ha egy termodinamikai rendszer egyensúlyban van, akkor feltételezzük, hogy minden típusú (termikus, mechanikus, fázisú és kémiai) egyensúlyt sikerült elérni benne. Ellenkező esetben a rendszer nem egyensúlyi.
Az egyensúlyi állapot jellemző jelei:
- 1) nem függ az időtől (stacionárius);
- 2) az áramlások (különösen a hő és a tömeg) hiánya jellemzi;
- 3) nem függ a rendszer fejlődésének "történetétől" (a rendszer "nem emlékszik" arra, hogyan került ebbe az állapotba);
- 4) ellenáll az ingadozásoknak;
- 5) mezők hiányában nem függ a rendszerben a fázison belüli pozíciótól.
A termodinamikai rendszer állapota, amelyben spontán módon kellően hosszú idő elteltével jön létre a környezettől való elszigeteltség körülményei között, ami után a rendszer állapotának paraméterei nem változnak az idő múlásával. A rendszer egyensúlyi állapotba való átmenetét relaxációnak nevezzük. A rendszer termodinamikai egyensúlyával minden visszafordíthatatlan folyamat megszűnik - hővezetés, diffúzió, kémiai reakciók stb. A rendszer egyensúlyi állapotát a külső paraméterek (térfogat, elektromos vagy mágneses tér erőssége stb.) Értékei, valamint a hőmérséklet értéke határozza meg. Szigorúan véve az egyensúlyi rendszer állapotának paraméterei nem teljesen rögzültek - mikrotérfogatokban kis ingadozásokat tapasztalhatnak átlagos értékeik körül (ingadozások). A rendszer általában rögzített falakkal van szigetelve, amelyek nem engedik át az anyagot. Abban az esetben, ha a rendszert szigetelő álló falak gyakorlatilag nem vezetnek hővezető képességhez, adiabatikus szigetelés történik, amelyben a rendszer energiája változatlan marad. A rendszer és a külső környezet közötti hővezető (diatermikus) falakkal az egyensúly létrejöttéig hőcsere lehetséges. Egy ilyen rendszer hosszan tartó hőkontaktusa a külső környezettel, amely nagyon magas hőkapacitással rendelkezik (termosztát), a rendszer és a környezet hőmérséklete kiegyenlítődik, és a termodinamikai egyensúly létrejön. Az anyagra félig áteresztő falakkal termodinamikai egyensúly lép fel, ha a rendszer és a külső környezet közötti anyagcsere eredményeként a környezet és a rendszer kémiai potenciálja kiegyenlítődik.
A termodinamikai egyensúly egyik feltétele az mechanikai egyensúly, amelyben a rendszer részeinek makroszkopikus mozgása nem lehetséges, de a rendszer egészének transzlációs mozgása és forgása megengedett. Külső mezők és a rendszer forgásának hiányában mechanikai egyensúlyának feltétele a nyomás állandósága a rendszer teljes térfogatában. Mások szükséges feltétel A termodinamikai egyensúly a hőmérséklet és a kémiai potenciál állandósága a rendszer térfogatában. A termodinamikai egyensúlyhoz elegendő feltételeket lehet elérni a termodinamika második törvényéből (a maximális entrópia elve); ezek közé tartozik például: a nyomás növekedése a térfogat csökkenésével (állandó hőmérsékleten) és a hőkapacitás pozitív értéke állandó nyomáson. Általános esetben a rendszer termodinamikai egyensúlyi állapotban van, amikor a rendszer termodinamikai potenciálja, amely megfelel a kísérleti körülmények között független változóknak, minimális. Például:
Egy elszigetelt (abszolút nem kölcsönhatásba lép a környezettel) rendszer az entrópia maximuma.
Zárt rendszer (csak hőt cserél a termosztáttal) - minimális szabad energia.
Rögzített hőmérsékletű és nyomású rendszer - minimális Gibbs -potenciál.
A rögzített entrópia és térfogatú rendszer minimális belső energia.
Rendszer rögzített entrópiával és nyomással - minimális entalpia.
13. Le Chatelier - Barna elv
Ha a rendszert, amely stabil egyensúlyban van, kívülről befolyásolják, megváltoztatva az egyensúlyi feltételek bármelyikét (hőmérséklet, nyomás, koncentráció), akkor a rendszerben a külső hatás kompenzálására irányuló folyamatok felerősödnek.
A hőmérséklet hatása a reakció termikus hatásának előjelétől függ. A hőmérséklet emelkedésével a kémiai egyensúly eltolódik az endoterm reakció irányába, és a hőmérséklet csökkenésével az exoterm reakció irányába. Általában, amikor a hőmérséklet változik, a kémiai egyensúly a folyamat felé tolódik el, az entrópia változásának jele, amelyben egybeesik a hőmérsékletváltozás jelével. Például az ammónia szintézis reakciójában:
N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 + Q - a termikus hatás normál körülmények között +92 kJ / mol, a reakció exoterm, ezért a hőmérséklet emelkedése az egyensúly eltolódásához vezet a kiindulási anyagok felé és a termékhozam csökkenéséhez.
A nyomás jelentősen befolyásolja a gázhalmazállapotú anyagokat érintő reakciók egyensúlyi helyzetéről, térfogatváltozással együtt, amely az anyagmennyiség változása miatt következik be a kiindulási anyagokról a termékekre: a nyomás növekedésével az egyensúly eltolódik abba az irányba, amelybe a teljes szám a gázmólok száma csökken, és fordítva.
Az ammónia szintézis reakciójában a gázok mennyisége a felére csökken: N2 + 3H2 ↔ 2NH3, ami azt jelenti, hogy a nyomás növekedésével az egyensúly az NH3 képződése felé tolódik el.
Az inert gázok bejuttatása a reakcióelegybe, vagy a reakció során inert gázok képződése is hatással van, valamint a nyomás csökkenése, mivel a reagáló anyagok parciális nyomása csökken. Meg kell jegyezni, hogy ebben az esetben a gáz, amely nem vesz részt a reakcióban, inert gáznak minősül. Azokban a rendszerekben, amelyekben csökken a gázmólok száma, az inert gázok eltolják az egyensúlyt a kiindulási anyagok felé, ezért termelési folyamatok, amelyben inert gázok képződhetnek vagy felhalmozódhatnak, a gázcsatornák időszakos öblítése szükséges.
A koncentráció hatása az egyensúlyi állapotról engedelmeskedik szabályokat követve:
Az egyik kiindulási anyag koncentrációjának növekedésével az egyensúly eltolódik a reakciótermékek képződésének irányába;
Az egyik reakciótermék koncentrációjának növekedésével az egyensúly eltolódik a kiindulási anyagok képződésének irányába.
Termodinamikai egyensúly Teljesen stabil állapot, amelyben a rendszer korlátlan ideig működhet. Amikor eltávolít egy elszigetelt rendszert az egyensúlyból, hajlamos spontán visszatérni ebbe az állapotba (termosz forró vízés egy darab jég).
A rendszer termodinamikai egyensúlyi állapotában nemcsak az összes paraméter időben állandó, hanem semmilyen külső forrás hatására nincsenek stacionárius áramlások.
Nyitott és zárt rendszerek esetén jellegzetes álló állapot (a rendszer paraméterei nem változnak az idő múlásával).
Egyensúlyi rendszer- a paraméterek a rendszer különböző részein azonosak. Nincsenek hajtóerők. Ha egy ilyen rendszer elszigetelt, akkor korlátlan ideig egyensúlyi állapotban lehet.
Nem egyensúlyi rendszer- paramétereik eltérőek a térfogat különböző pontjain, ami állandó gradiensek és erők jelenlétéhez vezet, valamint az általuk létrehozott anyag- és energiaáramokhoz a külső környezetből származó energia áramlása miatt. Ha egy ilyen rendszer elszigetelt, akkor visszafordíthatatlanul az egyensúlyi TD állapotba fejlődik.
7. A termodinamika első törvénye. Felfedezés története. Megfogalmazás, fizikai és biológiai jelentés.
A termodinamika első törvényének felfedezése történelmileg összefügg a hő és a mechanikai munka egyenértékűségének megállapításával. Ez a felfedezés R. Mayer és D. Joule nevéhez fűződik. Mayer fő munkája, amelyben ötleteit részletesen és szisztematikusan dolgozta fel, 1845 -ben jelent meg, és a Szerves mozgalom az anyagcserével kapcsolatban címet kapta. Mayer azonnal megfogalmazta a termodinamika első törvényét olyan elvként, amely engedelmeskedik a természet minden mozgásformájának. Rámutatott, hogy az élő szervezetben a mechanikai és termikus hatások forrása nem életerő, ahogy a vitalisták állították, de a benne zajló kémiai folyamatok az oxigén és az élelmiszer felszívódása következtében.
Joule azért jött létre, hogy a hő és a mechanikai munka egyenértékűségét induktív módon állapítsa meg, azaz közvetlenül az átalakulás kísérleti mérésével mechanikus mozgás a melegségbe.
A termodinamika első törvénye a következőképpen fogalmazódik meg: „A teljes energia egy elszigetelt rendszerben állandó érték, és nem változik időben, hanem csak átmegy egyik formából a másikba.
A rendszer által a külső környezetből elnyelt σQ hőt a rendszer belső energia dU növelésére és a σA munka elvégzésére használják a külső erők ellen.
Ha a hő átadásra kerül a rendszerbe, azután ΔQ> 0.
Ha a hő átadásra kerül rendszer, azután ΔQ< 0.
Tökéletes munka rendszer pozitívnak tekintik.
Tökéletes munka a rendszer felett - negatív.
A termodinamika első törvénye megmagyarázza az első típusú örökmozgató létezésének lehetetlenségét, azaz olyan motor, amely energiaráfordítás nélkül is dolgozna.
A 19. században bebizonyosodott, hogy a termodinamika első törvénye élő rendszerekre alkalmazható. Ez a bizonyíték tükröződik az "On Heat" című munkában, 1873. Lavoisier, Laplace - jég kaloriméter a felszabaduló hő mennyiségének meghatározására. A kísérlet értelme az volt, hogy a légzés hasonló a lassú égéshez (többlépcsős folyamat). A légzési folyamat hőforrásként szolgál az élő szervezetek számára. A kísérletekben szintén pneumatikus berendezést alkalmaztak, amely lehetővé tette a felszabaduló szén -dioxid mennyiségének kiszámítását.
Amikor szénhidrátot éget kaloriméterben
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O - a szénhidrátok szén -dioxiddá és vízzé oxidálódnak.
Ebben a reakcióban minden gramm glükózból felszabaduló energia mennyisége 4,1 kcal.
Az élelmiszerek átalakulási útjai az élő szervezetek anyagcsere -folyamataiban és az élő sejten kívüli kémiai reakciókban egyenértékűek a teljes hőhatás szempontjából.
(Ebből adódóan a TD első törvénye - Hess törvénye: a termikus hatás nem függ közbenső szakaszától, csak a rendszer kezdeti és végső állapota határozza meg.)
Az állapot termodinamikai függvényei (termodinamikai potenciál). Szabad energiát fogyaszt. Példák a termodinamikai ábrázolások használatára.
A termodinamikai potenciálok bevezetésének célja a termodinamikai rendszer állapotát leíró természetes független változók ilyen halmazának használata, amely egy adott helyzetben a legkényelmesebb, miközben megtartja azokat az előnyöket, amelyeket a jellegzetes függvények használata az energia dimenziójával ad. Különösen a termodinamikai potenciálok csökkenése az egyensúlyi folyamatokban, amelyek a megfelelő természeti változók állandó értékeinél jelentkeznek, egyenlő a hasznos külső munkával.
A termodinamikai potenciálokat W. Gibbs vezette be.
A következő termodinamikai potenciálokat különböztetjük meg:
belső energia
entalpia
Helmholtz szabad energiája
Gibbs potenciálja
magas termodinamikai potenciál
A biológiai rendszer szabad energiáját (Gibbs G) a gradiens jelenléte és nagysága határozza meg:
G = RT ln Ф1 / Ф2
R - univerzális gázállandó,
T - termodinamikai hőmérséklet Kelvinben
F1 és F2 a gradienseket meghatározó paraméter értékei.
Példák: A termodinamika első törvénye- az energiatakarékosság törvénye: Az energia nem keletkezik vagy eltűnik. Bármilyen kémiai folyamat esetében a zárt rendszerben a teljes energia mindig állandó marad. Az ökológia tanulmányozza az összefüggést napfényés ökológiai rendszerek, amelyeken belül a fényenergia átalakulása zajlik. Az energia nem keletkezik újra, és nem tűnik el sehol. A fény mint energiaforma átalakítható munkává, hővé vagy az élelmiszer -vegyi anyagok potenciális energiájává. Ebből következik, hogy ha bármely rendszer (élettelen és élő is) energiát kap vagy költ, akkor ugyanannyi energiát kell kivonni a környezetéből. Az energia a helyzettől függően csak újraelosztható, vagy átmehet más formába, ugyanakkor nem keletkezhet sehonnan, és nem tűnhet el nyomtalanul.
A Nap sugárzó energiája, amely a Földet érinti, hajlamos diffúz hővé alakulni. A zöld növények által a biomasszájuk potenciális energiájává alakított fényenergia hányada sokkal kisebb, mint a bemenet (qconc< Qсол). Незначительная часть энергии отражается, основная же ее часть превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему и биосферу.
A termodinamika második törvénye kijelenti: az energia átalakulásával járó folyamatok spontán csak akkor léphetnek fel, ha az energia koncentrált formából diszpergált formába kerül (lebomlik). Ezt a törvényt hívják entrópiatörvény. A hő nem terjed spontán módon a hidegebb testről a melegebbre (bár az első törvény nem tiltja az ilyen átmenetet). A természetben sok példa van az egyirányú folyamatokra. Például a gázokat összekeverik egy edényben, de nem különülnek el egymástól; egy csomó cukor feloldódik vízben, de nem jön ki csomó formájában. A használathoz nem hozzáférhetővé tett kötött energia mennyiségének mértéke az entrópia(a görögből. befelé és átalakulás). Azok. az entrópia a rendellenesség mérőszáma, a kötött energia mennyiségének mértéke, amely nem válik használhatóvá. Zárt rendszerekben az entrópia (S) nem csökkenhet; változása (ΔS) nulla a reverzibilis folyamatoknál, vagy nagyobb, mint nulla az irreverzibilis folyamatoknál. A rendszer és környezete, magukra hagyva, hajlamos a maximális entrópia (rendellenesség) állapotára. Így, a spontán folyamatok a növekvő rendellenesség irányába mennek.
A termodinamika második törvénye a következőképpen is megfogalmazható: mivel az energia egy része mindig nem elérhető hőenergia -veszteségek formájában oszlik el, a fényenergia kémiai vegyületek potenciális energiájá alakításának hatékonysága mindig kevesebb, mint 100%. A törvénynek van egy másik megfogalmazása is: mindenféle energia végső soron a legkevésbé használható és legkönnyebben eloszlatható formává alakul.
A termelő növények és az állati fogyasztók közötti kapcsolatot a növények által felhalmozott energia áramlása szabályozza, amelyet aztán az állatok használnak fel. Az egész élővilág megkapja a szükséges energiát a növények és kisebb mértékben a kemoszintetikus szervezetek által létrehozott szerves anyagoktól. A zöld növények fotoszintetikus tevékenysége által létrehozott élelmiszer potenciális energiát tartalmaz kémiai kötések, amely állati szervezetek által fogyasztva más formákká alakul. Az állatok, amelyek elnyelik az élelmiszer energiáját, nagy részét hővé is átalakítják, és kevesebbet az általuk szintetizált protoplazma kémiai potenciális energiájává.
Entalpia. Hess törvénye. Példák felhasználásra biológiai rendszerekben.
Entalpia egy anyag tulajdonsága, amely jelzi a hővé alakítható energiamennyiséget. Ez az állam függvénye. ΔH jelöléssel, J / kg -ban mérve. A nem szisztémás mértékegység kcal / kg.
Hess törvénye: A többlépcsős folyamat hőhatása nem függ közbenső szakaszától, hanem csak a rendszer kezdeti és végső állapota határozza meg. Következésképpen a kémiai reakció termikus hatása csak a kiindulási anyagok típusától és állapotától függ, és nem a lefolyásának útjától.
Kalória- a rendszeren kívüli egység a hőmennyiség. A fiziológiailag rendelkezésre álló energia átlagos értéke 1 grammban (kcal -ban): fehérjék - 4,1; szénhidrátok - 4,1; zsír - 9.3.
Az élő szervezetek által elnyelt energia mennyisége a tápanyagokkal együtt megegyezik az egyidejűleg felszabaduló hővel. Következésképpen a szervezetek önmagukban nem jelentenek új energiaforrást.
A hő típusai, hőtermelés. Specifikus hőtermelés. Példák.
Hőmennyiség- az energia, amelyet a test kap vagy elveszít a hőátadás során. A hőmennyiség az egyik fő termodinamikai mennyiség. A hőmennyiség a folyamat függvénye, nem az állapot függvénye (azaz a rendszer által kapott hőmennyiség attól függ, hogyan hozták a jelenlegi állapotába.)
Hőtermelés, hőtermelés, hőtermelés a szervezetben az élő sejtek energia átalakulásának eredményeként; összefügg a fehérjék és más szerves vegyületek folyamatosan előforduló biokémiai szintézisével, ozmotikus munkával (ionok átvitele a koncentrációgradiens ellen), az izmok (szívizom, különböző szervek simaizmai, vázizmok) mechanikai munkájával. Még teljes izomnyugalom esetén is ilyen munka összességében meglehetősen nagy, és az átlagos súlyú és életkorú személy a környezet optimális hőmérsékletén körülbelül 1 kcal -t (4,19 kJ) szabadít fel testtömeg -kilogrammonként 1 óra alatt.
Nyugvásban lévő homeoterm állatoknál:
Az összes hő 50% -a a hasi szervekben keletkezik,
20% - a vázizomzatban,
10% - a légző- és keringési szervek munkája során.
(Nyugalomban az összes hő mintegy 50% -a a hasi szervekben (főleg a májban), 20% -a a vázizomzatban és a központi idegrendszerben, valamint körülbelül 10% -a a légző- és keringési szervek munkája során keletkezik. . kémiai hőszabályozásnak is nevezik.)
Minden valódi folyamatot az energia egy részének hővé való eloszlása kísér.Hőség- az energia leromlott formája. Hőség- ezt a különleges energiafajtát (gyenge minőségű) nem lehet veszteség nélkül átvinni más típusú energiákra. A hőenergia a molekulák kaotikus mozgásával jár, más típusú energiák a molekulák rendezett mozgásán alapulnak.
Létezik az energiafajták osztályozása aszerint, hogy az energiafajta képes átalakulni más típusú energiákká.
A. - max. Hatékony, minden más típusú energiává alakul. Gravitációs, nukleáris, könnyű, elektromos,
B. - kémiai,
C. - termikus.
Elosztja az elsődleges és másodlagos hőt, valamint a fajlagos hőtermelést.
Elsődleges hő- ez annak az eredménye, hogy a disszimilációs reakciók során az energia elkerülhetetlen eloszlása visszafordíthatatlan biokémiai reakciók miatt következik be. Az elsődleges hő azonnal felszabadul, miután a szervezet elnyeli az oxigént és az ételt, függetlenül attól, hogy munkát végez -e vagy sem. Felmelegíti a testet, és eloszlik a környező térben.
Kiemelés másodlagos hő csak akkor figyelhető meg, ha a nagy energiájú vegyületek (ATP, GTP) energiája realizálódik. Hasznos munkát végez.
A fajlagos hőtermelés az állatok tömegegysége által időegység alatt felszabaduló hőmennyiség:
q = QT / μT,,ahol:
QT- az időegység alatt felszabaduló hőmennyiség,
μT- tömegegység,
q- fajlagos hőtermelés.
A hőtermelés arányos az állat súlyával:
q = a + b / M 2/3,ahol:
a - a sejtek száma,
b - felszíni terület,
M az állat testtömege.
(A fajlagos hőtermelés csökken az állat súlyának növekedésével).
Az egyensúlyi állapotok vizuális megjelenítéséhez egy egyszerű mechanikus modellből kell kiindulni, amely a test helyzetétől függően a potenciális energia változásától függően három egyensúlyi állapotot tár fel:1. Stabil egyensúly.
2. Stabil (instabil) egyensúly.
3. Metastabil egyensúly.
A gyufásdoboz modelljén világossá válik, hogy a szélén álló doboz súlypontját (metastabil egyensúly) csak akkor szabad felemelni, hogy a doboz a labilis állapoton át a széles oldalra essen, azaz mechanikailag stabil egyensúlyi állapotba, amely a legalacsonyabb potenciális energia állapotát tükrözi (9.1.1. ábra).
A termikus egyensúlyt a hőmérséklet -gradiensek hiánya jellemzi a rendszerben. A kémiai egyensúly akkor következik be, ha két anyag között nincs reakció, amely változást idéz elő, azaz minden reakció egyformán gyorsan megy előre és hátra.
Termodinamikai egyensúly akkor áll fenn, ha a rendszerben mechanikai, termikus és kémiai egyensúlyi feltételek teljesülnek. Ez akkor fordul elő, ha a szabad energia minimális. Állandó nyomáson, ahogy a kohászat általánosan elfogadott, a Gibbs szabad C energiát, amelyet szabad entalpiának nevezünk, szabad energiának kell tekinteni:
Ebben az esetben H az entalpia, vagy a hőtartalom, vagy az E belső energia és a pV elmozdulási energia összege p nyomás és V térfogat szerint.
Állandó V térfogatot feltételezve a Helmholtz szabad F energia alkalmazható:
Ezekből az összefüggésekből kiderül, hogy az egyensúlyi állapotot extrém értékek jellemzik. Ez azt jelenti, hogy a Gibbs szabad energia minimális. A (9.1.1) egyenlet azt sugallja, hogy a Gibbs szabad energiát két komponens határozza meg, nevezetesen az entalpia, vagy H hőtartalom és S entrópia. Ez a tény elengedhetetlen a különböző fázisok hőmérséklet -függőségének megértéséhez.
A Gibbs szabad energia viselkedése a hőmérséklet változásával eltérő a gáz-, folyékony vagy szilárd fázisú anyagok esetében. Ez azt jelenti, hogy egy bizonyos fázis hőmérsékletétől függően (ami egyenlő az aggregáció állapotával) a Gibbs szabad energia minimális. Így a hőmérséklettől függően stabil egyensúlyban mindig ott lesz az a fázis, amelynek Gibbs -mentes energiája a figyelembe vett hőmérsékleten ennek megfelelően a legalacsonyabb (9.1.2. Ábra).
Az a tény, hogy a Gibbs szabad energia entalpiából és entrópiából áll, világossá válik az ón különböző módosításainak létezési zónáinak hőmérsékletfüggésének példáján. Így a tetragonális (fehér) β-ón stabil 13 ° C feletti hőmérsékleten, köbös, gyémántszerű (szürke) α-ón stabil egyensúlyban létezik 13 ° C alatt (allotrópia).
Ha 25 ° C és 1 bar normál körülmények között a stabil β-fázis hőtartalmát 0-nak vesszük, akkor szürke ón esetén 2 kJ / mol hőtartalmat kapunk. Ami a 25 ° C hőmérsékletű hőtartalmat illeti, a β-ónnak 2 kJ / mol felszabadulásakor α-ónná kell válnia, feltéve, hogy az alacsonyabb hőtartalmú rendszernek stabilnak kell lennie. Valójában ilyen átalakulás nem történik meg, mivel itt a fázis stabilitását az entrópia amplitúdójának növekedése biztosítja.
Az entrópia növekedése miatt az α-ón β-ónná alakulása normál körülmények között az entalpia növekedését felesleggel kompenzálják, így a fehér β-ón módosításához szükséges Gibbs szabad energia C = H-TS valójában megfelel a minimális feltételnek.
Az energiahoz hasonlóan a rendszer entrópiája additívan viselkedik, azaz a rendszer teljes entrópiája az egyes entrópiák összegéből alakul ki. Az entrópia az állapot paramétere, és így jellemezheti a rendszer állapotát.
Mindig tisztességes
ahol Q a rendszerbe szállított hő.
A reverzibilis folyamatoknál az egyenlőségjel számít. Adiabatikusan izolált rendszer esetén dQ = 0, tehát dS> 0. Statisztikailag az entrópia grafikusan ábrázolható azzal a ténnyel, hogy a nem egyenletes térkitöltést mutató részecskék keverésekor (például gázok keverésekor) a homogén eloszlás állapota a legvalószínűbb, azaz maximális véletlen eloszlás. Ez az S entrópiát a rendszer tetszőleges eloszlásának mértékeként fejezi ki, és a valószínűség logaritmusaként van definiálva:
ahol k a Boltzmann -állandó; w például kétféle gázmolekula eloszlásának valószínűsége.
17.01.2020
Öntött szigetelésű, száraz típusú transzformátorok, amelyek kapacitása huszonöt-háromezer-százötven kilowatt * amper, és feszültségosztályuk legfeljebb tíz kilowatt ...
17.01.2020
A vízszigetelési munkák elvégzése olyan szükséglet, amely néha felmerül a gáz-, olaj- és egyéb csővezetékek építése során. A külső negatív hatásoktól ...
17.01.2020
A hegesztési munkát egészségre veszélyesnek tekintik. A munkahelyi sérülésekkel járó látás nagyobb kockázatot jelent ...
16.01.2020
A raktári targonca vásárlása nem egyszerű folyamat. A választást egyszerre több kritérium alapján kell meghozni. Hogy ne tévedjünk, ...
15.01.2020
A nem illékony rendszer előnyei, hogy használatakor nem kell aggódnia az áramkimaradás miatt, ez a rendszer önállóan fog működni és ...
15.01.2020
Ma egzotikus, könnyű bambusz bútorokat használnak különböző belső stílusokban. A bambusz különösen előnyös afrikai, japán, ökológiai és vidéki területeken ...
13.01.2020
A burkolat rendkívül sokoldalú anyag. Gyakorlatilag nem igényel karbantartást, vonzónak tűnik, nagyon egyszerű telepíteni, tartós és megbízható. Gazdag...
13.01.2020
Ma a piacon nagy a kereslet a rozsdamentes acél alapanyagokból származó különféle termékek iránt. Ilyen igény jelenleg ...
13.01.2020
Létezik Különféle típusok lakások felújítása. Annak érdekében, hogy ne tévesszen meg a definíciókban, amikor elmagyarázza vágyait a vállalkozó szervezet munkatársainak, először ...
Bármely termodinamikai rendszer (TS) lehet egyensúlyi vagy nem egyensúlyi állapotban. A mechanika egyensúlyának általános feltétele, hogy a rendszer korlátainak megfelelő kis elmozdulásoknál a munka összegének nullával egyenlő. Ennek a feltételnek egy extrém potenciális energia felel meg. Ha ez a minimum, akkor az egyensúlyi állapotból való áttéréskor pozitív munkát fogyasztunk ( dℒ> 0) és az egyensúlyi állapot stabil. A termodinamikában a potenciális energia szerepét jellemző funkciók játsszák.
A termodinamikai egyensúly feltételeit a TS különböző konjugációihoz a környezettel két paraméter rögzítésével a jellemző függvények viselkedése határozza meg, amelyek lehetővé teszik a kémiai reakciók és a fázisátmenetek irányának megítélését.
Egyszerű ( dℒ= 0), zárt TS két paraméter rögzítésekor:
Visszafordíthatatlan folyamatok esetén:
azok. A visszafordíthatatlan, egyensúlytalan folyamatok egyszerű, zárt TS -ben a megfelelő termodinamikai potenciál csökkenésének irányába haladnak. Egyensúlyi állapotban a megfelelő potenciál értéke eléri a minimumot, és a TS egyensúlyi feltételei a következők:
Az egyensúlyi állapottól bármely irányban való eltéréssel a megfelelő termodinamikai potenciál nő.
Tekintsük a zárt járművek egyensúlyát, amelyeket a környezettel való konjugáció körülményei mellett csak egy nem mechanikus jellegű erő befolyásol. Ezután a termodinamika 1. és 2. egyenletének együttes kifejezése a következő formát öleli fel:
ℒ, (35)
Nem mechanikus munka ℒ (35) -ben a következő formában fogjuk képviselni:
ℒ, J, (36)
ahol DE- termodinamikai affinitás, J / mol, x- a termodinamikai folyamat útja, mol.
A termodinamikai affinitást a következő arány vezeti be:
J / mol, (37)
hol van a kompenzálatlan hő, azaz az a munkamennyiség, amely a részecskék termikus mozgásának energiájába szétszórt (szétoszlott) a folyamat útvonala mentén. Így a termodinamikai affinitás a részecskék (munka) rendezett mozgásának energiamennyisége, amely a járműben belüli folyamat útján eloszlott (szétoszlott). Nál nél DE= 0 - a folyamat visszafordítható, at DE> 0 - a folyamat visszafordíthatatlan. A (36) kifejezés helyettesítése után a ℒ a (35) egyenletekbe kapjuk:
Így, U = U(S, V, x), H = H(S, p, x), F = F(T, V, x), G = G(T, p, x), és amikor az első két paramétert a (38) egyenletekben rögzítjük, akkor a következők lesznek:
Így a Gibbs -potenciál az értékek rögzítésekor Tés R(38) egyenlő:
Következésképpen a termodinamikai affinitást a folyamat útvonalán lévő jellemző funkciók részderiváltjain keresztül határozzák meg.
A termodinamikai affinitás egy példája a kémiai affinitás. Ebben az esetben a folyamat útvonalának méretét a kémiai reakció útjának nevezzük.
Amikor a TS az egyensúlyi állapotra hajlik, a Gibbs -potenciál az értékének a minimumára hajlik ( G T, p ® G T, p min) rögzített értékeken Tés R, amelyet egyensúlyi értéken érünk el (ebben az esetben a termodinamikai affinitás értékét DE= 0), amint az az alábbi ábrán látható:
A TS egyensúlyi állapota az entrópia változásával is jellemezhető. A visszafordíthatatlan, egyensúlytalan folyamatokban egy adiabatikus, zárt TS -ben az entrópia változása dS = dS in> 0, azaz az entrópia növekszik és eléri a maximumot egyensúlyi állapotban: dS=0, S = S max... Amikor a jármű leng az egyensúlyi állapothoz képest, az entrópia csökken, és a termodinamikai potenciál növekszik.
