Концепции современного естествознания 2 4 (стр. 9 из 15)
Классическая термодинамика описывается тремя законами:
1. Закон сохранения и превращения энергии.
Q=ДU+A, где ДU – изменение внутренней энергии.
Количество теплоты, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии и совершение телом работы.
Q=ДU+PДV.
2. Невозможно получить работу без затрат энергии, то есть, невозможен вечный двигатель первого рода. Универсальный закон природы, справедливый для живых и неживых объектов.
1 кг жира ® 38,9 кДж
1 кг углеводов ® 17,5 кДж
1 кг белков ® 17,5 кДж
Применение первого закона к изопроцессам.
1. Изохорный, V=const. A=0, Q= ДU
2. Изобарный, P=const. Q=ДU+PДV
3. Изотермический, T=const. ДU=0, Q=A.
4. Адиабатный (протекающие без теплообмена), чаще всего – это быстротекущие процессы. Q=const. A=-ДU
Теплоёмкость
- это количество теплоты, сообщенное телу и изменяющее при этом температуру тела на 1°С . Второй закон термодинамики рассматривает возможность и направление наблюдаемого процесса. Все самопроизвольные процессы идут в направлении выравнивания системы, и они всегда приводят к состоянию равновесия. Несамопроизвольный процесс идет только при воздействии извне.
Это реальный необратимый процесс.
Обратимый процесс – это когда при его завершении (возврате в исходное состояние) система самопроизвольно возвращается к этому состоянию без каких-либо потерь. Это гипотетический цикл. К обратимому циклу можно приблизиться, если сделать процесс бесконечно медленным. Все обратимые процессы равновесны. На основании обратимого цикла С. Карно в 1827 году разработал так называемый цикл Карно – цикл работающей тепловой машины. Рабочее тело в цикле Карно – идеальный газ, и при работе такого цикла в машине нет потерь на трение, лучеиспускание и т.п. Тепловая машина, или тепловой двигатель, - это такое устройство, которое превращает внутреннюю энергию топлива в механическую.
Рабочее тело (газ, пар) при расширении совершает работу, при этом получает от нагревателя теплоту Q1. Далее сжимается, при сжатии рабочее тело передаёт холодильнику теплоту Q2. (Q1<Q2, T2<T1).
1-2 – изотермическое расширение газа с температурой T1. При этом газ получает от нагревателя Q1.
2-3 – дальнейшее расширение идеального газа с понижением температуры (адиабатное расширение).
В первых двух процессах совершается работа А.
3-4 – изотермическое сжатие.
4-1 – адиабатное сжатие газа с повышением температуры с T2 до Т1.
Цикл Карно – это обратимый процесс, идущий бесконечно медленно. По циклу Карно считают максимальный КПД (Коэффициент Полезного Действия).
Q1-Q2=Amax
- означает, что КПД идеальной машины зависит только от температуры нагревателя и холодильника.hобратим>hнеобратимого (самопроизв)
Формулировки второго закона.
Вся теплота никогда не может перейти в работу, часть ее обязательно теряется и передается холодильнику, потому что нельзя полностью исчерпать энергию теплового движения молекул. Можно работу превратить в теплоту. Нельзя создать вечный двигатель второго рода, то есть, нельзя создать такую тепловую машину, которая превращала бы всю теплоту в работу. Обязательно КПД<100%.
Второй закон термодинамики носит статистический, то есть, вероятностный характер, так как он выписан только для системы из большого числа молекул.
Энтропия – это количественная мера той теплоты, которая не переходит в работу.
S2-S1=ДS=
Если процесс обратимый, то
Энтропия (S) в реальном процессе – затраты на холодильник, лучеиспускание, трение. При обратимом изолированном цикле нет изменения энтропии, она постоянна. В необратимых процессах энтропия возрастает до тех пор, пока система не придет в равновесие, и при этом энтропия будет максимальна. Работа прекращается в состоянии равновесия, A=0. Отсюда Клаудиус вывел возможность тепловой смерти вселенной, так как идёт процесс накопления (повышения) энтропии, и все процессы остановятся, но его (возможно) ошибка была в том, что он исходил из того, что вселенная – замкнутая система.
Энтропия определяет возможность, направление и предел самопроизвольных процессов в замкнутых системах. Энтропия – это количественная мера хаоса в системе.
Больцман:
d=khW – показывает меру беспорядка, или хаоса.
W - Термодинамическая вероятность системы – это число микросостояний, соответствующих данному макросостоянию системы: число способов реализации данного макросостояния.
Если W=1, то S=0 – только идеальный кристалл при Т=0.
Энтропия идеального кристалла при Т=0 равна нулю. Если в кристалле есть хотя бы один дефект, то W=2, и S>0. Sгаза>Sжидк>Sтв.тела
На атомном уровне нет различий между составом органических и неорганических веществ. Различия появляются между органическим и неорганическим миром на молекулярном уровне. Химия изучает молекулярный состав вещества и превращение веществ. Слово, предположительно, произошло от древнего названия Египта – Kham, или от греческого слова Khemia (сок растения).
1. Концепция простого и сложного вещества.
2. Концепция понятия химического соединения.
3. Концепция атомно-молекулярного учения (атомизма).
В эти два века химия оформилась как точная наука.
1. Концепция простого и сложного вещества. Теория флогистона, разработанная в XVII веке (Шталь), о том, что при горении руды металл из руды соединяется с флогистоном, находящимся в воздухе и образует сложное вещество. Если вещество прокалить без доступа воздуха, получается чистый металл. Эта теория объяснила процесс получения металла из руды. Теория флогистона умерла с появлением работа Лавуазье и Ломоносова в XVIII веке. Они опытным путём опровергли теорию. Лавуазье открыл кислород, но не успел закончить исследования, так как был четвертован во время Французской революции. Они по отдельности открыли закон сохранения массы – первый стехиометрический закон. Для химических реакций закон сохранения массы справедлив из-за недостаточной точности измерений.
2. Понятие химического соединения. Закон Пруста, который был опубликован в 1799 году, даёт соотношение между массами элементов, входящих в состав соединения, постоянно и независимо от способа получения соединения. В конце XIX века Курнаков расширил этот закон, открыв химические соединения, имеющие переменный состав. Например, Ag2Zn, FeS – бертоллиды (Бертолле); H2O - дальтониды (Дальтон).
3. Основные положения, разработанные Ломоносовым (1791) и Дальтоном (1798). Закон кратных отношений Дальтона: Если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся на одну и ту же массу другого элемента относятся между собой как небольшие целые числа. То есть, элементы, соединенные друг с другом в строго определенных весовых отношениях, соответствуют количеству их атомов в соединении. Были обозначены границы применимости: этот закон неприменим для изотопов. В дальнейшем большую роль сыграл периодический закон Менделеева (1869). Г. Мозли в 1910 подтвердил правильность таблицы Менделеева, проверив 86 первых элементов, установил, что порядковый номер совпадает с количеством протонов. Я. Берцелиус произвел в начале XIX века переворот в химии – разработал химическую символику.
Аналитический период ответил на вопрос о том, из каких атомов состоят молекулы и как эти атомы располагаются в пространстве. Берцелиус в 1807 году предложил считать вещества, характерные для живой природы, органическими, а для неживой – неорганическими. До 1828 году господствовала теория витализма – жизненная сила органических веществ. В 1828 году Вёлер получил из неорганического вещества органическое без всякой живой силы.
Было замечено, что в органические вещества входит углерод. Эмпирическая формула не отражает структурного строения C2H6O. Берцелиус в 1830 году назвал их изомерами.
| H | H | ||
| H | C | C | OH |
| H | H |
Франкланд в 1852 году выдвинул теорию валентности – способности атомов присоединять другие атомы. В 1862 году Бутлеров выдвинул теорию строения органических молекул.
1. Свойства органического соединения определяются их химическим строением, то есть, порядком соединения атомов между собой.
2. При определении реакционной способности органической молекулы необходимо учитывать взаимное влияние атомов в молекуле.
3. Структурные формулы объясняют существование изомеров:
1. Изомерия углеродного скелета.
2. Изомерия положения кратной связи.
3. Геометрическая (цис-, транс-) изомерия.
4. Зеркальная (хиральная) изомерия. (Правовращающие и левовращающие изомеры.
Синтетическая химия началась с работ Вёлера.
К середине XIX века синтезировали органические кислоты, спирты, бензол, красители, тротил; в начале XX века Нобель синтезировал динамит. Также в начале XX века Фишер синтезировал белковые молекулы с помощью пептидной связи, создав первый искусственный белок. В 1956-м году Крик и Уотсон синтезировали ДНК и РНК, открыв их структуру. В 1928-м Флеминг синтезировал пенициллин. Одну из групп CH2 научились «снимать» с молекулы и подставлять другие группы для получения различных свойств. Таким образом, на данный момент уже получено около 100 видов различных антибиотиков. В настоящее время синтетическая химия – это мост между химией и биологией. Ежегодно синтезируются около 1000 килограмм аскорбиновой кислоты. Вообще все витамины синтезированы, но у искусственных витаминов усвояемость не превышает 50%. При их получении используется давление в 15-20 тысяч атмосфер и низкую температуру порядка -60°С. Органический синтез очень селективен, то есть, требует строго определенную температуру и давление. Хемоселективность – изучение реакционной способности вещества. Стереоселективность – пространственная структура молекулы. Алкалоиды – стрихин, никотин, хинин, кофеин. Все они ядовиты и все – апперетивные. Технологическая химия возникла в середине XIX века. Главный вопрос: при каких условиях и каким образом происходит химическая реакция. Закон действия масс (1863), или закон Гульбена и Ваге: Скорость химической реакции при постоянной температуре прямо пропорционально концентрации реагирующих веществ.