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

Источники загрязнения атмосферы

Загрязнением окружающей среды можно назвать изменение качества среды, способное вызвать отрицательные последствия. Считается, что одинаковые агенты оказывают одинаковые отрицательные воздействия не­зависимо от их происхождения, поэтому пыль, источником которой явля­ется природное …

Абсорбция газовых примесей

Некоторые жидкости и твердые вещества при контакте с многокомпо­нентной газовой средой способны избирательно извлекать из нее отдельные ингредиенты и поглощать (сорбировать) их. Абсорбцией называется перенос компонентов газовой смеси в объем …

Пенная сепарация поверхностно-активных веществ

Пенное фракционирование основано на селективной адсорбции од­ного или нескольких растворенных веществ на поверхности газовых пу­зырьков, которые поднимаются вверх через раствор. Образовавшаяся пена обогащается адсорбированным веществом, что и обеспечивает парциаль­ную сепарацию …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

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