ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
При сварке плавлением между расплавленным металлом, шлаком и окружающей газовой средой протекают сложные физико-химические процессы.
Условия взаимодействия между реагентами в зоне реакции весьма своеобразны и имеют следующие особенности:
1) высокую и быстро изменяющуюся температуру в зоне сварки;
2) кратковременность взаимодействия реагентов;
Хорошо развитую поверхность взаимодействия.
Чтобы получить металл шва заданного химического состава, нужно уметь управлять ходом металлургических процессов, для чего совершенно необходимо знать основные законы физической химии.
М. В. Ломоносов дал определение физической химии как науки об исследовании химических процессов с помощью физических методов.
В настоящее время физическая химия превратилась в обширную отрасль знаний о наиболее общих законах химических превращений.
Одним из важнейших разделов физической химии является термодинамика, и в том числе, химическая термодинамика.
Техническая термодинамика
Первое начало термодинамики. Этот закон естествознания назван «началом», потому что является обобщением многовекового человеческого опыта, применим для всех видов преобразования энергии в различных отраслях науки и производства и ни одно из следствий этого закона не противоречит опыту.
Физические законы (закон Ома, закон Бойля-Мариотта и др.) в отличие от «начала» относятся к конкретному физическому процессу, а не к всему многообразию физических процессов.
В термодинамике рассматриваются процессы, связанные с тепловыми явлениями.
Процессы, протекающие в тепловых машинах, изучает техническая термодинамика,
|
|
Тепловые явления, сопровождающие химические реакции, изучает химическая термодинамика.
Техническая термодинамика построена, главным образом, на двух началах, или законах.
Начала термодинамики справедливы для любого тела или группы тел. При этом будем иметь в виду, что тело или группа тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособленных от окружающей среды, называются системой.
Температура атома или молекулы? Ощущение тепла? Видео 2
Законы термодинамики основаны на изучении поведения ограниченного множества элементарных частиц (молекул, атомов) и справедливы для объектов с ограниченным множеством частиц, но они не применимы для отдельных частиц и не применимы для бесконечного множества частиц.
В основу первого начала термодинамики положен закон сохранения энергии, впервые сформулированный М. В. Ломоносовым (1748 г.). Согласно этому закону взамен энергии одного вида, исчезающей в каком-либо процессе, появляется энергия другого вида в количестве, строго эквивалентном первому. Видео 1
Иными словами, первое начало термодинамики – это закон сохранения энергии.
Существует несколько эквивалентных формулировок первого начала термодинамики, в частности формулировка Дж. П. Джоуля (1842 г.):
В любой изолированной системе запас энергии остаётся постоянным.
Энергия, изучаемая технической термодинамикой, существует в виде трех компонент:
- теплоты,
- внутренней энергии,
- работы.
Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.
|
|
В окружающем нас мире энергия проявляется в виде механической работы, теплоты и внутренней энергии тела.
Внутренняя энергия
1. Среди различных форм энергии, встречающихся в химических процессах, особое значение имеет внутренняя энергия U, которая находится в скрытом виде в каждом веществе и слагается из энергии поступательного, колебательного и вращательного движений элементарных частиц и энергии взаимодействия этих частиц – зависит от природы вещества.
2. Количество внутренней энергии системы зависит не только от природы составляющих ее веществ и их массы, но и от состояния системы, т. е. от внешних условий, в которых она находится.
Из внешних условий, влияющих на величину внутренней энергии системы, следует учитывать объем V, давление р и температуру Т. Эти три переменных фактора определяют термодинамическое состояние системы и могут изменяться в любом физико-химическом процессе. Следовательно, U = f (V, р, Т).
Поскольку внутренняя энергия зависит от количества вещества, ее относят к молю этого вещества.
Единицей же ее измерения обычно является тепловая единица — калория (или Дж).
Количество внутренней энергии: ΔU = c * m * ΔТ,
где c – удельная теплоемкость,
m – масса материала,
ΔТ – изменение температуры.
Изменение внутренней энергии не зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое, а определяется лишь параметрами начального и конечного состояний этой системы.
Формами превращения внутренней энергии при изменении состояния системы являются теплота и механическая работа. Изменение внутренней энергии может происходить за счет подвода к системе или отвода от нее тепла. Оно может явиться и результатом работы, совершенной самой системой или над ней.
|
|
Теплота
Энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой, называется количеством теплоты́ или просто теплотой.
Формами передачи теплоты являются теплообмен (конвенция, излучение) и теплопередача (или теплопроводность).
Конвенция - вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками материи (газа, жидкости). Конвекция может быть естественной (за счет разницы в плотности материи) и принудительной (вентилятор и пр.).
Излучение - процесс передачи теплоты в виде лучистой энергии от горячих объектов к холодным. Теплота передается вследствие испускания и поглощения электромагнитного излучения, при этом промежуточная прозрачная среда (воздух) нагреву не подвергается.
способ теплообмена, осуществляющийся; при нагревании детали для формирования покрытия излучением энергия передается непосредственно поверхности детали без нагревания воздуха.
Теплопередача - процесс передачи теплового потока через свою толщину, возникающий из-за разности температур нав различных объемах объекта.
Количество теплоты: Q = q * t (необходимо отличать Тепло от Внутренняя энергия)
где q – тепловой поток,
t – время.
Варианты теплообмена системы с окружающим миром:
1. Если 
, то это означает, что тепло к системе подводится.
2. Если 
, аналогично — тепло отводится.
3. Если 
, то система не обменивается теплом с окружающей средой и называется адиабатически изолированной.
Работа (механическая работа) – процесс перемещения материального объекта под действием приложенной к нему силы.
Количество работы: A = F * Δs *cos α = p * ΔV
где F – сила,
Δs – перемещение,
p – давление,
ΔV – изменение объема.
Частные случаи проявления первого начала термодинамики:
- при изобарном процессе (р = const)
- при изохорном процессе (
)
- при изотермическом процессе
Здесь 
— масса газа, 
— молярная масса газа, 
— молярная теплоёмкость при постоянном объёме, 
— давление, объём и температура газа соответственно, причём последнее равенство верно только для идеального газа.
Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе, то есть, оно зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход. Это определение особенно важно для химической термодинамики (ввиду сложности рассматриваемых процессов). Иными словами, внутренняя энергия определяется параметрами тела: c, m и T является функцией состояния: р, V и T.
Таким образом, первое начало термодинамики определяет процессы перераспределения энергии между компонентами технической термодинамики: внутренней энергией, теплотой и механической работой.