Система и её состояние
Граница системы
bookmarkСистема и окружение
Система — часть мира, которую мы выбрали для описания, окружение — всё остальное. Граница проводится решающим задачу: от неё зависит, какие балансы нужно составить.
| Тип системы | Обмен веществом | Обмен энергией | Пример |
|---|---|---|---|
| открытая | да | да | стакан с кипящей водой, живая клетка |
| закрытая | нет | да | запаянная ампула, газ в цилиндре под поршнем |
| изолированная | нет | нет | идеальный термос, калориметр в первом приближении |
lightbulbГраница — часть модели
Одну и ту же установку можно описывать по-разному. В калориметре системой может быть реакционная смесь (тогда вода и стакан — окружение, туда уходит теплота) или весь калориметр (тогда система почти изолированная). Выбор границы определяет, что считается теплотой, а что — внутренней энергией.
infoИз истории
Почти изолированную систему в быту мы держим в руках каждый день. Сосуд с двойными посеребрёнными стенками и вакуумом между ними изобрёл шотландский физик Джеймс Дьюар в 1892 году, чтобы хранить сжиженные газы; бытовой термос — его прямой потомок. Вакуум почти не проводит тепло, серебрение отражает излучение, но через горлышко и пробку тепло всё же уходит — идеальной изоляции не бывает.
Фаза, компонент, состояние
bookmarkФаза
Однородная часть системы, отделённая от других частей поверхностью раздела, на которой свойства меняются скачком. Лёд, вода и пар над ними — три фазы; смесь газов — всегда одна фаза; две несмешивающиеся жидкости — две фазы; раствор соли — одна фаза.
Компоненты — вещества, количествами которых можно задать состав всех фаз. В растворе соли компонентов два (соль и вода), хотя частиц больше (\(\ce{Na+}\), \(\ce{Cl-}\), \(\ce{H2O}\), \(\ce{H+}\), \(\ce{OH-}\)): остальные связаны с ними равновесиями и электронейтральностью.
Параметры состояния — величины, которые задают состояние: давление, объём, температура, количества веществ. Для однофазной системы из одного вещества достаточно двух интенсивных параметров, например \(p\) и \(T\), — остальные следуют из уравнения состояния.
bookmarkФункция состояния
Величина, значение которой определяется только состоянием, а не путём, которым система в него пришла: \(V\), \(T\), \(p\), внутренняя энергия \(U\), энтальпия \(H\). Теплота \(Q\) и работа \(W\) — не функции состояния: они описывают процесс (подробно — в теме 2).
Интенсивные и экстенсивные величины
Мысленно соединим две одинаковые системы. Экстенсивные величины удвоятся: масса, объём, количество вещества, внутренняя энергия. Интенсивные останутся прежними: температура, давление, плотность, концентрация, молярная масса.
| Экстенсивные | Интенсивные |
|---|---|
| \(m\), \(V\), \(n\), \(U\), \(H\) | \(T\), \(p\), \(\rho\), \(c\), \(M\), \(V_m\) |
Отношение двух экстенсивных величин — интенсивная: \(\rho = m/V\), \(c = n/V\), молярный объём \(V_m = V/n\), молярная теплоёмкость. Поэтому свойства вещества сводят в таблицы в «молярном» или «удельном» виде — они не зависят от размера порции.
errorИнтенсивные не складываются
При смешивании двух порций воды по 20 °C и 40 °C получится не 60 °C: температуры не складываются. Складываются экстенсивные величины — массы, количества, энергии; интенсивные находят из их баланса.
push_pinГлавное
Сначала проведите границу системы — что внутри и чем она обменивается с окружением; состояние задают параметры, экстенсивные величины удваиваются вместе с системой, интенсивные — нет.
Закрепите теорию: 10 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.