ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Основные понятия и законы термодинамики

Термодинамика - один из важнейших разделов физики и физической химии, предметом изучения которого являются:

А) основные соотношения, позволяющие рассчитать количество выде­ленного или поглощенного тепла в физических и химических превращени­ях и совершаемую при этом работу;

Б) выявление возможного самопроизвольного течения процессов в оп­ределенном направлении, их равновесие.

К этому следует добавить, что термодинамика исследует также пере­ходы энергии из одной формы в другую. Термодинамика построена на двух основных законах, называемых первым и вторым началами, и на по­стулате Планка, который часто рассматривают как третий закон термоди­намики.

Общая характеристика термодинамического метода сводится к сле­дующему.

Термодинамика базируется на небольшом числе крупных логических обобщений научной и практической деятельности людей. Ни один из ныне известных фактов не противоречит этим обобщениям. На их основе, ис­пользуя богатый физико-математический аппарат, выводят ряд отдельных законов и физико-химических соотношений, пригодных для решения бо­лее частных и многочисленных физико-химических задач. Таким образом, термодинамика покоится на методе дедуктивного мышления (от общего - к частному).

Термодинамика не использует молекулярно-кинетических представ­лений, ее не интересует механизм процесса; она действует по принципу «черного ящика», когда исследуются только начальное и конечное состоя­ния системы. В этом смысле термодинамика в высшей степени абстрактна.

Термодинамика в классической форме дает ответ лишь о направлении протекания процессов, условиях равновесия системы, ничего не сообщая о скорости процесса, времени достижения равновесия.

Термодинамика приложима только к системе с достаточно большим числом атомов или молекул, для которой действительны статистические законы. Однако ее нельзя применять к Вселенной, ибо термодинамика соз­дана на основании обобщения опытных данных для закрытых систем и только для них безоговорочно справедлива.

Возникновение термодинамики как самостоятельной дисциплины от­носится к середине прошлого века, хотя некоторые ее закономерности (за­кон Гесса, принцип Карно) были установлены значительно раньше. Разви­тие различных прикладных направлений термодинамики постепенно при­вело, к их превращению в самостоятельные разделы, из которых можно выделить общую, техническую и химическую термодинамику. В курсе технолого-экологических основ природопользования в большей степени, чем остальное, востребуется обычно знание химической термодинамики.

Предметом химической термодинамики служит термодинамическое рассмотрение явлений, относящихся к области химии.

Представление о сути термодинамического метода позволяет экологу любого профиля осознать его богатые возможности и более обоснованно оценивать разработанные с его применением и предлагаемые к примене­нию технолого-экологические решения.

Одно из основных понятий термодинамики связано с определением «системы». Система - тело или группа тел, находящихся во взаимодейст­вии и мысленно обособляемых от окружающей среды. Границы системы можно выбирать произвольно, в том числе физические поверхности разде­ла. Границы очерчивают так, чтобы исследуемая термодинамическая зада­ча решалась правильно и наиболее легко.

По степени однородности свойств системы делят на гомогенные и ге­терогенные. В последнем случае они включают несколько фаз.

По степени взаимодействия с окружающей средой различают системы изолированные и неизолированные, закрытые и открытые.

Изолированные системы - это системы, имеющие постоянный объем, через границы которых не происходит обмена веществом или анергией с окружающей средой. В противном случае мы имеем дело с неизолирован­ной системой.

Закрытые системы не обмениваются веществом с другими система­ми. Их взаимодействие с ними ограничивается только передачей теплоты и работы.

Предметом термодинамического изучения являются только закрытые системы.

Состояние системы определяется ее свойствами (термодинамиче­скими параметрами). Свойства системы зависят только от ее начального и конечного состояния и не зависят от пути перехода из одного состояния в другое. Различают интенсивные и экстенсивные свойства.

Экстенсивные свойства пропорциональны количеству вещества. К их числу относятся масса и объем системы. Если к веществу массой 1 кг или объемом 1 л добавить еще такую же массу и объем, то масса и объем объе­диненной системы составят 2 кг и 2 л. Другими словами, экстенсивные свойства системы являются аддитивными, т. е. суммирующимися.

Интенсивные свойства не зависят от количества вещества, не адди­тивны. К ним относятся температура, давление, плотность. Исходя из. понятия аддитивности, можно представить, что, какое бы неограниченно большое число источников тепла с температурой, например, 100°С ни бы­ло составлено рядом и ни соединено тем или иным способом, температура системы не будет отличаться от 100°С.

Наиболее важными и часто используемыми свойствами системы яв­ляются давление, объем, температура и состав.

Переход системы из одного состояния в другое называют процессом. Если при его проведении изменяется состав, то такой процесс именуют химической реакцией.

К весьма важным в термодинамике относятся понятия теплоты и ра­боты. Они не являются функциями состояния и проявляются только при проведении процесса, служат формами передачи энергии (общей меры всех видов движения) от системы к окружающей среде и обратно. Не бу­дучи функцией состояния, работа и теплота зависят от пути проведения процесса. В соответствии с современными термодинамическими представ­лениями работа есть упорядоченная форма передачи энергии, а теплота яв­ляется неупорядоченной формой ее передачи.

Одним из наиболее фундаментальных термодинамических понятий является внутренняя энергия U. Она относится к параметрам состояния и в физическом смысле характеризует общий запас энергии системы, включая энергию: поступательного и вращательного движения молекул; внутримо­лекулярного колебательного движения атомов и атомных групп, состав­ляющих молекулы; вращения электронов в атоме; ядер атомов и т. д., но без учета кинетической энергии тела в целом и его потенциальной энергии положения. Термодинамика еще не умеет определять абсолютную величи­ну внутренней энергии системы, но может измерять изменение внутренней энергии AU в том или ином процессе. Этого достаточно для успешного применения понятия внутренней энергии. Изменение внутренней энергии является термодинамическим параметром системы. Величина AU прини­мается положительной, если в рассматриваемом процессе она возрастает.

Первый закон термодинамики устанавливает связь между количест­вом получаемой или выделяемой теплоты, количеством произведенной или полученной работы и изменением внутренней энергии системы при проведении термодинамического процесса.

Во всех случаях в закрытой термодинамической системе отношение поглощенного тепла Q к совершенной работе А есть величина постоянная (Q/A = const). Это отношение не зависит от свойств системы и пути ее пе­рехода из одного со стояния в другое, т. е. является термодинамическим параметром, и составляет 427 кгм/ккал. При измерении Q и А в одинако­вых единицах Q/A = 1, в том числе и в круговом процессе.

Таким образом, во всяком круговом процессе работа, совершенная системой, точно равна поглощенной ею теплоте. Следовательно, если в круговом процессе тепло не поглощается, то не производится и работа. Из
сказанного вытекает одна из наиболее ярких формулировок первого закона термодинамики: вечный двигатель первого рода невозможен.

Имеются и другие, равноценные, формулировки первого закона. Одна из них - формулировка закона сохранения энергии: если в каком-либо про­цессе энергия одного вида исчезает, то вместо нее в строго эквивалентном количестве появляется энергия другого вида.

(1.7)

Математическое выражение первого закона термодинамики может быть дано в различных формах. Наиболее общая:

AU = Q - A.

Иными словами, в любом процессе приращение внутренней энергии какой-либо системы равно сообщаемой системе теплоте за минусом рабо­ты, совершаемой системой.

(1.8)

Для процессов, связанных с бесконечно малыми изменениями, урав­нение (1.7) принимает вид

DU = SQ - SA,

Где dU - полный дифференциал внутренней энергии системы; SQ и 8А - бесконечно малые количества теплоты и работы.

Уравнение (1.8) является базовым. Из него выводится множество формул, связывающих различные переходы одного вида энергии в другой, определяющих зависимости тепловых эффектов реакции и теплоемкостей от температуры, от пути перемещения системы из одного состояния в дру­гое или позволяющих вычислить работу в том или ином термодинамиче­ском процессе (изохорном, изобарном, изотермном, адиабатном).

Второй закон термодинамики показывает, в каком направлении в за­данных условиях (температура, давление, концентрация и т. д.) может про­текать самопроизвольно, т. е. без затраты работы извне, тот или иной про­цесс. Во-вторых, закон определяет предел возможного самопроизвольного течения процессов, т. е. его равновесное в данных условиях состояние.

Для различных термодинамических процессов существуют свои кри­терии, характеризующие направление и предел их протекания.

В общем случае самопроизвольное развитие взаимодействия между различными частями системы возможно только в направлений выравнива­ния интенсивных свойств (температуры, давления, электрического потен­циала и др.) всех ее частей. Достижение этого состояния является преде­лом самопроизвольного течения процесса, условием равновесия.

(19)

Для изолированных систем критерием, определяющим самопроиз­вольное течение процесса, служит термодинамический параметр, полу­чивший название энтропии S. В этих системах при протекании необрати­мых процессов энтропия возрастает и достигает максимальных значений при равновесии процесса:

S2 - S1 > 0.

В курсах термодинамики показывается, что энтропия является мерой беспорядка в изолированной системе, мерой ее термодинамической веро­ятности, возрастающей в самопроизвольном процессе.

В неизолированных системах о направлении процесса судят по изме­нению термодинамических потенциалов, также являющихся функциями состояния.

Так, для процессов, протекающих при постоянных температуре и дав­лении, направление и предел самопроизвольного протекания процесса оп­ределяются с помощью изобарно-изотермического потенциала (сокра­щенно - изобарного потенциала) или, как принято в современной физиче­ской химии, энергии Гиббса G:

AG < 0. (1.10)

Другими словами, в системе с постоянными температурой и давлени­ем самопроизвольно могут протекать только процессы, сопровождаемые уменьшением G, а условием равновесия служит достижение некоторого минимального для данных условий значения этой функции. Реакции, кото­рые сопровождались бы увеличением G, как самопроизвольные в принци­пе невозможны.

Для термодинамических процессов, протекающих при постоянной температуре и объеме, роль аналогичную энергии Гиббса выполняет энер­гия Гельмгольца, или изохорно-изотермический потенциал (изохорный по­тенциал).

Второй закон термодинамики указывает направление возможного процесса, но ничего не сообщает о его скорости. Между тем термодинами­чески неустойчивые (метастабильные) системы могут существовать неог­раниченно долгое время.

Основной смысл третьего закона сводится к утверждению, что при абсолютном нуле температуры энтропия правильно образованного кри­сталла любого соединения в чистом состоянии равна нулю. При любом другом состоянии вещества его энтропия больше нуля.

ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Классификация промышленных отходов

Классификация промышленных отходов (ПО), образующихся в ре­зультате производственной деятельности человека, необходима как сред­ство установления определенных связей между ними с целью определения оптимальных путей использования или обезвреживания отходов. Обобщение и анализ …

Схемы абсорбционных процессов

В практике абсорбции используются несколько принципиальных схем проведения процесса. Наиболее широко применяются прямоточная (рис. 4.7,а) и противоточная (рис. 4.7,б) схемы. Абсорбция G X Z, X н G Y Xк Б) …

Биохимические процессы защиты окружающей среды

Биохимические методы применяют для очистки хозяйственно - бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органи­ческих и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорга­низмов …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.