ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет естественных наук Кафедра физической химии
В. Н. Пармон
ЛЕКЦИИ ПО ТЕРМОДИНАМИКЕ НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ
ДЛЯ ХИМИКОВ
Учебное пособие
Новосибирск
2005
ББК Г 531
УДК 541.1 П 183
Пармон В. Н. Лекции по термодинамике неравновесных процессов для химиков: Учеб. пособие / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2004. 296 с.
ISBN
Данное пособие содержит лекции по полусеместровому общецикловому курсу термодинамики неравновесных процессов, который читается студентам-химикам ФЕН НГУ начиная с 1999 г.
Пособие соответствует учебной программе кафедры физической химии факультета естественных наук НГУ и предназначено студентам и аспирантам любых химических специальностей, интересующимся этим направлением науки.
Рекомендовано редакционно-издательским советом НГУ для специальностей 510500, 511100, 011000.
ISBN
© Новосибирский государственный университет, 2005
© В. Н. Пармон, 2005
Предисловие
Термодинамика неравновесных процессов – относительно новый раздел термодинамики, появившийся в 50-х гг. прошлого столетия. Традиционно его рассматривают как очень сложный и трудно воспринимаемый раздел физической химии, малопригодный для использования в обычных химических исследованиях. Поэтому обычно этот раздел термодинамики предлагают для освоения лишь студентам-химикам с наиболее сильной физической подготовкой.
Тем не менее опыт автора настоящего пособия, попытавшегося начиная с 1995 г., адаптировать курс термодинамики неравновесных процессов для студентов-химиков ФЕН НГУ, показывает, что предмет термодинамики неравновесных процессов может быть достаточно просто изложен на языке, доступном любому химику, получившему базовое физи- ко-химическое образование в объеме стандартных курсов классической термодинамики равновесных процессов и химической кинетики. Более того, на самом деле данный предмет объединяет термодинамику и химическую кинетику, что может оказаться очень полезным для тех, кто занимается исследованием сложных химических превращений, особенно каталитических. В частности, именно в этом курсе удается последовательно и корректно определить такие важнейшие и обычно «замалчиваемые» при объяснениях в курсах химической кинетики понятия, как условия кинетической необратимости сложных стехиометрических реакций, скорость-определяющая и скорость-лимитирующая стадия и т. п.
В связи с тем что, как выяснилось, освоение курса термодинамики неравновесных процессов требует предварительного освоения полного стандартного курса химической кинетики, на факультете естественных наук НГУ было принято решение выделить курс термодинамики неравновесных процессов в качестве отдельного, который завершает и обобщает общецикловые семестровые курсы классической термодинамики и
3
химической кинетики. С 1999 г. курс читается как отдельный общецикловый полусеместровый курс, постоянно пополняемый в связи с постепенным развитием предмета курса.
Врезультате содержание и последовательность изложения материала в курсе существенно отличается от того, как это делается в других известных автору версий курса термодинамики неравновесных процессов.
Внастоящем пособии отражено основное содержание лекций по обсуждаемому предмету по состоянию на 2005 г.
Автор приносит признательность Н. А. Чистяковой, терпеливейшим образом регулярно вносившей огромное количество правок в текст пособия.
4
Основные обозначения
A, В, С и т. д. |
– |
вещества |
||
~ |
– |
термодинамический напор вещества А |
||
A |
||||
Ar |
– |
сродство химической реакции |
||
С– мольная концентрация
G – термодинамический потенциал Гиббса
Н– энтальпия
h |
– |
постоянная Планка |
i,j |
– |
индексы реакционной группы |
J |
– |
поток термодинамического параметра |
k |
– традиционная константа скорости реакции |
|
kБ |
– |
постоянная Больцмана |
L~ij |
– |
коэффициент взаимности Онзагера |
n |
– |
термодинамический напор |
р |
– |
давление |
P– скорость диссипации энергии
Q– количество теплоты
R– универсальная газовая постоянная
S– энтропия
s |
– |
локальная плотность энтропии |
T |
– |
температура |
U |
– |
внутренняя энергия |
v |
– |
скорость реакции |
Х |
– |
термодинамическая сила |
α |
– |
индекс вещества Аα |
γ |
– |
коэффициент активности |
ε |
– «усеченная» константа скорости реакции |
|
μ |
– |
химический потенциал |
ξ |
– |
химическая переменная |
σ |
– |
скорость производства энтропии |
Σ |
– |
индекс «брутто-превращения» |
Φ |
– |
функция Ляпунова |
5