Часть
перваяТЕРМОДИНАМИКА
Термодинамика как наука возникла в начале XIX в. в связи с задачами совершенствования тепловых машин и включает как основную часть учение о превращениях энергии. Этим определяется общность ее значения для таких наук, как физика, химия, биология, геология, и для многочисленных отраслей техники, поскольку любые процессы, происходящие в природе, сопровождаются изменениями энергии. Применение термодинамики к химическим реакциям составляет предмет химической термодинамики, одного из основных методов физической химии.
Свойства всех тел, механизмы химических превращений и многих физических явлений непосредственно связаны со свойствами атомов и молекул, поэтому полное описание макроскопических явлений требует рассмотрения микроскопических характеристик молекул. Однако почти во всех областях науки первой стадией является формальное описание опыта, его классификация и формулировка эмпирических понятий и закономерностей.
Несмотря на то, что гипотеза о существовании молекул была высказана еще давно, молекулярная теория как научно обоснованный метод насчитывает менее ста лет. До того, как было экспериментально доказано существование молекул, изыскивались общие методы описания процессов, не связанные с молекулярной теорией.
Термодинамика опирается только на опыт. По словам А. Эйнштейна, термодинамика единственная общая физическая теория, которая в рамках применимости своих основных положений никогда не будет опровергнута. Все понятия и законы термодинамики являются записью и классификацией опыта. Это и определяет ряд положительных и отрицательных сторон термодинамики.
Поскольку термодинамика опирается на твердо установленные опытные (эмпирические) законы, ее выводы имеют общий характер. На основе сопоставления частных явлений с общими термодинамическими законами устанавливается возможность процессов и их закономерности.
11
В.И. Ленин в своих трудах подчеркивает, что в процессе познания эмпирический элемент должен сочетаться с рациональным. Естественно поэтому, что термодинамика как чисто эмпирическая наука ограничена в своих возможностях и в своем развитии.
Следует отметить, что в период становления термодинамики ряд ученых (А. Дюгем, В. Оствальд и др.) под влиянием эмпириокритицизма считали, что рациональная экономная запись опыта является конечной целью науки. Однако историческое развитие науки показало ограниченность и бесплодность такой точки зрения. Оказалось, что обоснование всех законов и понятий термодинамики было достигнуто на основе молекулярной теории. Последняя, кроме того, значительно расширила круг явлений, рассматриваемых термодинамикой, и вооружила термодинамику многими новыми методами исследования.
Рассмотрение явлений на основе термодинамики должно сочетаться с более глубоким изучением их атомно-молекулярного механизма. В современной физической химии последнее достигается с помощью квантовой теории и статистической механики. Развитие естествознания в этой области подтвердило ленинское предвидение.
В настоящее время термодинамику широко используют как рациональную основу расчетов, позволяющих предсказывать условия протекания и эффективность различных процессов и реакций, в том числе металлургических. Однако, при изучении термодинамики полезно представлять себе молекулярный смысл ее эмпирических понятий и законов.
Основными объектами термодинамики являются энергетические балансы и равновесия при химических и фазовых превращениях. Решение первой группы вопросов основано на первом законе, а второй - на втором и третьем законах термодинамики. Введем некоторые необходимые термины. Системой называется совокупность тел, которая фактически или мысленно может быть выделена из окружающей среды. При этом рассматриваются макроскопические системы. Если система не взаимодействует с окружающей средой, т.е. ее энергия и объем постоянны, то она называется изолированной. Если в систему поступает или из нее удаляется вещество, то она называется открытой. Если же такого обмена веществом нет, то система называется закрытой. Состояние любой системы определяется совокупностью таких параметров, как объем, давление, температура, концентрации входящих в нее веществ.
12
Мир представляет собой материю, существующую в бесконечном многообразии форм, постоянно превращающихся друг в друга. Это постоянное изменение и движение - неотъемлемое свойство материи. Энергия является характеристикой этого движения как с количественной, так и с качественной сторон, т.е. его мерой.
Понятие об энергии как о способности производить работу возникло в механике еще в XVIII в. Из законов движения Ньютона был выведен закон постоянства механической энергии. При движении тела может изменяться его потенциальная энергия, характеризующая работоспособность, зависящую от положения тела. Также может изменяться кинетическая энергия тела, т.е. способность производить работу, обязанную наличию скорости. Однако общая энергия изолированного движущегося тела, или его работоспособность, являющаяся суммой потенциальной и кинетической энергий, есть величина постоянная. Это применимо для изолированной системы, состоящей из множества движущихся и взаимодействующих друг с другом частиц. Энергия каждой отдельной частицы все время будет изменяться, а механическая энергия системы в целом остается постоянной. Однако механическая энергия может перейти в тепловую или электрическую.
Движение, являющееся формой существования материи, не может ни исчезать, ни возникать из ничего - оно лишь переходит из одной формы в другую. Поэтому в изолированной системе суммарная энергия, отвечающая всем видам движения, которая может быть охарактеризована общей работоспособностью системы, является величиной постоянной. Это положение равносильно утверждению о невозможности создания двигателя, который бы производил работу, не используя каких-либо источников энергии (вечный двигатель первого рода).
М.В. Ломоносов первый подчеркнул, что закон сохранения является общим фундаментальным законом природы. Спустя полтора столетия М. Планк отметил, что закон сохранения энергии лежит в основе представлений о физическом и материальном единстве мира. Понятие энергии наряду с понятиями пространства и времени является наиболее общим в естествознании. Закон сохранения энергии выполняется при любых превращениях. Его можно рассматривать.как закон сохранения материи и присущих ей мер: энергии - меры движения и массы - меры ее инертности. Как и энергия, масса системы при всех происходящих в ней превращениях не изменяется.
13
