WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

... відкритий, безкоштовний архів рефератів, курсових, дипломних робіт

ГоловнаТехнічні науки → Закони термодинаміки і термодинамічні величини (функції) системи - Реферат

Закони термодинаміки і термодинамічні величини (функції) системи - Реферат

Справді, ми дістали несподіваний результат — зміна ентропії горіння водню виявляється від'ємною, тобто ентропія системи не збільшилась! Як це пояснити, ураховуючи, що енергія системи зменшилась?

По-перше, аналізуючи зміну кількості речовини (молей) вихідної системи (1 моль водню + 0,5 моля кисню = 1,5 моля) і утворених продуктів горіння (1 моль води), констатуємо зменшення структурних одиниць (молекул) газу, що має зумовлювати і зменшення невпорядкованості варіантів їх розміщення в просторі, тобто зменшення ентропії системи. І це справді так.

Коли це є справедливим, тоді кожна екзотермічна реакція не обов'язково має супроводжуватись збільшенням ентропії системи, як це мало місце в розглянутій раніше реакції горіння деревини.

А чи не суперечить це другому закону термодинаміки, з яким ми зв'язували зростання ентропії в довільних процесах. Не суперечить, і ось чому. Проаналізуємо два процеси горіння — деревини й водню. По-перше, у розглянутих прикладах зміна ентропії реакцій горіння характеризує зміну ентропій реагентів, тобто саму хімічну систему, і залежить від збільшення чи зменшення невпорядкованості продуктів реакції порівняно з вихідними реагентами. Полімерна структура взаємного розміщення атомів у деревині має набагато вищу впорядкованість, ніж атомів у газі, — продукту реакції горіння, що саме й визначає підвищення ентропії хімічної системи. У прикладі горіння водню все навпаки — порівняно з вихідною системою реагентів упорядкованість системи продуктів реакції підвищилась (кількість молекул зменшилась), що зумовлює зменшення ентропії. По-друге, у розглянутих прикладах горіння ми визначали зміну ентропії лише систем хімічних реакцій, тоді як другий закон термодинаміки є законом повної зміни ентропії (див. наведене визначення М. Планка):

Отже, необхідно визначити саме повну зміну ентропії. Ми вже розрахували , а визначимо, користуючись уже відомим рівнянням: .

Ураховуючи, що зовнішнє середовище отримає втрачену енергію системи хімічної реакції (вона є екзотермічною), запишемо: . Оскільки для одного моля водню реакції, що розглядається, є тотожна стандартній молярній ентальпії згоряння водню , яке ми знайдемо в табл. 14, то можемо записати рівняння повної ентропії: , де за стандартних умов розрахунку . Підставивши числові значення, отримаємо:

.

Отже, як і слід було очікувати, згідно з другим законом термодинаміки зміна повної ентальпії довільного процесу горіння водню є величиною додатною .

Розглянемо ще одне аналогічне явище на прикладі рівноважного стану прямої і оберненої реакції синтезу аміаку:

Реакція відбувається з виділенням тепла (є екзотермічною), і її спрямовано в бік зменшення енергії системи за утворення . Це відповідає першому законові термодинаміки. Але за сталої температури через певний час процес утворення аміаку припиняється і настає рівновага: концентрації і не змінюються. Що є причиною такого явища? Звернімо увагу, що система з правого боку рівняння є більш упорядкованою (дві молекули ), натомість ліва з чотирма молекулами є менш упорядкованою. Отже, згідно з другим законом термодинаміки довільний процес спрямовується в бік меншої упорядкованості, тобто тяжіє до збільшення ентропії системи. Рівноважний стан системи настає саме за врівноважування впливу змін та . У який спосіб урахувати потенційний вплив на врівноважування процесу цих функцій? Чи існує якась функція системи, котра їх ураховує? Саме так! Така функція є, називається "вільною енергією системи" і позначається літерою . Якщо вплив ентальпії і ентропії на перебіг оборотних процесів вирівнюється, то сама зміна функції вільної енергії дорівнюватиме нулю: . Якщо процес (реакція) характеризується великим числовим значенням і від'ємним за знаком, то це означає, що реакцію зсунуто праворуч, тобто в бік утворення її продуктів. Якщо навпаки, то процес зовсім не буде відбуватись.

Вільна енергія зв'язана з ентальпією і ентропією рівнянням

,

де — це та частина зміни ентальпії, яка може бути трансформованою в роботу, а — теплова втрата.

Одиниця вільної енергії системи (її ще називають "вільною енергією Гіббса") має таку саму розмірність і одиницю, як і енергія. У табл. 13 наведено стандартні молярні "вільні енергії" Гіббса для деяких речовин .

Розрахунки зміни стандартної вільної енергії будь-якої хімічної реакції можна виконати за стандартними змінами молярних ентальпій і ентропії реакції.

Розглянемо таку задачу. За якої температури почнеться довільний процес розпаду вапняку (СаСО3 = СаО + СО2), якщо припустити, що для цієї реакції значення і не залежать від температури і відповідно дорівнюють та .

Спочатку з наведеного вище рівняння визначимо вільну енергію Гіббса за нормальних умов .

Оскільки значення додатне, то за умов 298 К реакція не відбудеться. Мінімальну температуру, за якої почнеться розпад вапняку, визначатиме вже відоме нам співвідношення: , звідки:

К (933°С).

Отже, довільний розклад природних покладів вапняку, наприклад таких, якими багата наша Слобожанщина, Україні не загрожує, але для технологічного процесу отримання з нього вапна і діоксиду вуглецю треба передбачити економічні витрати на нагрівання сировини до вказаної температури.

Сучасна термодинамічна наука оперує ще третім законом термодинаміки, математичний вираз якого через ентропію має такий вигляд:

, коли .

Його формулювання: з наближенням температури будь-якого тіла до абсолютного нуля зміна ентропії за зміни будь-якої властивості системи також наближатиметься до нуля і дорівнюватиме нулю за досягнення температури абсолютного нуля: упорядкованість структури речовини досягає ідеальної.

Таке, на перший погляд, не дуже зрозуміле визначення криє в собі надзвичайно важливу інформацію, яка дала змогу вирішити проблеми синтезу алмазів, виконати термодинамічні розрахунки синтезу багатьох нових речовин, прогнозувати перебіг складних природних і технологічних процесів. Більш глибоке пізнання термодинамічних законів залишимо для самостійного їх опрацювання допитливим, а тут звернімо увагу на їхнє значення для усвідомлення закономірностей процесів як у природних системах, так і в системах технологій та економіки в цілому.

По-перше, природні екосистеми і біосфера в цілому, поглинаючи з космосу низькоконцентровану енергію Сонця, витрачають її в двох, по-різному термодинамічно спрямованих, процесах: концентруючи меншу її частину у структурно впорядкованих хімічних сполуках живих організмів, відтак зменшуючи ентропію екосистем і розсіюючи її більшу частину у формі ще нижчої концентрації теплової енергії середовища, тобто випромінюючи її знову в космос. Визначальним фактором такого енергетичного розподілу сонячної енергії в біосфері є стабільність складного ентропійного балансу.

По-друге, в технологічних і (у цілому) в матеріально-енергетичних процесах економіки конверсії природного ресурсу в споживну вартість (див. рис. 9, 1.1.3) енергія, котра витрачається на технічну конверсію, як і в живих організмах, у меншій частині концентрується в упорядкованій структурі споживної вартості зі зменшенням ентропії, а в значно більшій мірі — в структурно невпорядкованому хаосі відходів виробництва, збільшуючи ентропію навколишнього середовища.

З цього випливає невтішний висновок: технічний прогрес сучасної економіки призводить до руйнації довкілля, тобто до збільшення ентропії, хаосу. До цієї проблеми ми повернемося у наступних розділах. Тут тільки нагадаємо дуже цікаве спостереження: у багатьох стародавніх джерелах виразно проглядають риси майже сучасного розуміння термодинамічних законів. Так, створення світу, за Біблією, починається з хаосу — стану максимальної ентропії матеріальної системи первинного космосу. Творець у перший день поділяє хаос на небо і землю і відокремлює світло від темряви: упорядковує хаос. У наступні п'ять днів процес творення Всесвіту відбувається в чіткій послідовності зменшення ентропії, тобто збільшення впорядкованості матеріальної системи нашого буття. А чи не просувається людство у зворотному напрямку? Отже, сакраментальне: "Бути чи не бути?.."

Література

  1. Колотило Д. М. К 61 Екологія і економіка: Навч. посібник. — К.: КНЕУ, 1999.

 Див.: Фримантл М. (M. Freemantle). Химия в действии. — М.: Мир, 1991. — Т. 1.

Loading...

 
 

Цікаве