Při prezentaci základních principů termodynamiky používají soubor určitých striktně formulovaných pojmů, jejichž výchozím bodem je pojem termodynamický systém, který je předmětem studia v termodynamice.
Termodynamickým systémem se rozumí vybraný soubor těles nebo látek, skládající se z velkého množství strukturních jednotek (molekul, atomů, iontů) a oddělených od okolního vnějšího prostředí určitou hranicí nebo rozhraním. Vnější prostředí nebo vnější svět je to, co je mimo plášť systému.
Oddělení termodynamického systému od jeho prostředí nebo vnějšího světa je velmi relativní. Méně složité systémy, které jsou samostatnou strukturní jednotkou, mohou být současně součástí složitějších systémů, v takovém případě se často nazývají subsystémy. To lze ilustrovat na příkladu biologických systémů uspořádaných podle složitosti v následujících hierarchických řadách: organela – buňka – tkáň – orgán – orgánová soustava – organismus – populace – biocenóza – biosféra.
hraniční nebo rozhraní termodynamického systému může představovat nějakou skutečnou skořápku. Například stěny nádoby, ve které probíhá chemická reakce, membrána živočišné a rostlinné buňky. Ale nejčastěji je tato hranice imaginární nebo podmíněná a obdařená předem určenými vlastnostmi. Může být tedy propustná nebo tepelně nevodivá, mechanicky tuhá nebo netuhá, tzn. schopný měnit jeho velikost.
Podle vlastností rozhraní se termodynamické systémy dělí především na izolovaný, zavřeno и otevřené (Obr. 2).
Izolované systémy nemůže vyměňovat hmotu ani energii s prostředím. Uzavřené systémy vyměňovat pouze energii s vnějším světem a otevřené – hmota i energie.
Rýže. 2. Příklady uzavřených (а), OTEVŘENO (б) a izolovaný (в) systémy
Je třeba zdůraznit, že skutečné systémy nejsou nikdy absolutně izolované, pouze se do té či oné míry tomuto konceptu přibližují, ale zcela se s ním neshodují.
Některé systémy mohou být umístěny (skutečně nebo mentálně) v podmínkách, které je činí uměle izolovanými. Příkladem takového izolovaného systému je chemická reakce probíhající v termostatu. Změna energie během reakce je kompenzována zapnutím nebo vypnutím ohřívače, přičemž celková energie systému zůstává konstantní.
Uzavřené a otevřené systémy mohou skutečně existovat, přičemž nejběžnějšími systémy v přírodě jsou otevřené systémy. Patří sem všechny biologické systémy: živočišné a rostlinné buňky, organismy, lidé atd. Příkladem uzavřeného systému je jakákoliv uzavřená nádoba, ve které probíhá konkrétní chemická reakce.
Termodynamika otevřených systémů je popsána pomocí složitého matematického aparátu, který ještě není plně vyvinut. Uzavřené a zejména izolované systémy mají jednodušší matematický popis a výsledky získané na jejich základě se často úspěšně používají k predikci výskytu podobných fyzikálních a chemických procesů v otevřených systémech.
Podle složení se termodynamické systémy dělí na prostý nebo jednosložkový и komplexní nebo vícesložkový (Obr. 3).
Rýže. 3. Různé typy termodynamických systémů: а – jednofázový homogenní systém skládající se z vody; б – dvoufázový jednosložkový systém „voda – pára“; в – třífázový jednosložkový systém „led – voda – pára“; г – třífázový vícesložkový systém „CaCO3 – CaO – CO2“; д – čtyřfázový vícesložkový systém „rtuť – voda – benzen – pára“; е – nestabilní systém s neurčitým počtem fází
Jednoduché systémy sestávají pouze z jedné látky komplexní systémy obsahují několik různých chemikálií.
Pokud mezi jednotlivými částmi systému nejsou fyzické spoje, tzn. skutečná rozhraní, pak se takové systémy nazývají homogenní (homogenní). Vlastnosti těchto soustav v rovnovážném stavu jsou ve všech jejich bodech stejné.
Existují také systémy, jejichž jednotlivé části mají rozhraní. Při průchodu jimi se mnoho vlastností náhle změní. Takové systémy se nazývají heterogenní.
Soubor všech částí heterogenního systému, homogenních složením a fyzikálními a chemickými vlastnostmi, oddělených jasným a definovaným rozhraním, se nazývá tzv. fáze. Homogenní systémy se skládají vždy z jedné fáze, zatímco heterogenní systémy jsou vícefázové: dvoufázové, třífázové atd. Velmi často se látky v různých fázích od sebe liší stavy agregace (obr. 3). Mohou však existovat i heterogenní systémy, ve kterých jsou různé fáze ve stejném stavu agregace. Například tři kapaliny, které se vzájemně nemísí: benzen, voda a rtuť (obr. 3).
Homogenní i heterogenní systémy mohou být jednosložkové nebo vícesložkové. Jednosložkový homogenní systém je jakákoli kapalná nebo plynná látka umístěná v konkrétní nádobě (uzavřená nebo otevřená).
Třífázový heterogenní systém tvořený jednou chemickou látkou je např. nádoba částečně naplněná vodou, ve které plavou kusy ledu a nad hladinou kapaliny se nachází vodní pára.
Vícesložkový homogenní systém je směs několika plynů (například vzduch), skutečný roztok látky (nebo směsi látek) ve vodě nebo jiném rozpouštědle.
homogenní směs jde o kombinaci, při které je složení všech prvků v celé směsi jednotné. Často je snadné smíchat homogenní směs s čistou látkou, protože jsou obě homogenní, rozdíl je v tom, že složení čisté látky je vždy stejné.
Pojďme si to vysvětlit na příkladu. Mnoho lidí si někdy během dne vychutná šálek kávy. Někteří mohou pít kávu černou, zatímco jiní mohou do kávy přidat smetanu (nebo nějakou náhražku mléka) a cukr.
Bez ohledu na preference, každý milovník kávy chce, aby byl nápoj od začátku do konce stejný, protože by nebylo dobré, kdyby se složky po pár minutách oddělily. Hledá se homogenní směs.
Homogenní směs a další pojmy
Směs může být fyzikálně rozdělena na čisté sloučeniny nebo prvky a může vykazovat různý soubor fyzikálních vlastností. Například směs alkoholu a vody vře při různých teplotách.
Většina přírodních látek jsou směsi, takže téměř vše, na co si vzpomenete, je pravděpodobně směs. I ty nejčistší materiály stále obsahují další sloučeniny jako nečistoty.
Mnoho homogenních směsí se obvykle nazývá roztoky. Rozdíl mezi homogenními a heterogenními roztoky je velikost částic, protože homogenní směsi mají částice o velikosti atomů nebo molekul.
Homogenní roztoky jsou průhledné a bez usazenin, takže světlo roztokem snadno prochází. Jednotlivé složky lze oddělit pouze frakční krystalizací nebo destilací.
30 příkladů homogenních směsí
1- voda Toto je příklad homogenní směsi. Často obsahuje minerály a rozpuštěné plyny, ale ty jsou rozpuštěny v celé vodě. Voda z vodovodu a dešťová voda jsou homogenní, i když mohou mít různé úrovně rozpuštěných minerálů a plynů.
2- Většina alkoholické nápoje jsou to homogenní směsi vyrobené člověkem, od dobrého italského vína až po sklenku skotské whisky.
3- V lidském těle krevní plazma Toto je příklad homogenní směsi. Je to bezbarvá kapalina obsahující krevní buňky v suspenzi. To je o něco více než polovina objemu lidské krve.
4- Jedna šálek kávy Toto je považováno za homogenní směs. I když se přidá cukr a úplně se rozpustí.
5- ústní voda jsou považovány za homogenní směs. Obvykle obsahují určité procento alkoholu a také různé chemikálie určené k udržení čistoty zubů a dásní a svěžího dechu.
6- čisticí prostředek pro oděvy je dalším příkladem homogenní směsi různých mýdel a chemikálií, které udržují oděvy čisté.
7- ocet používá se k vaření a je také oblíbený jako detergent, je považován za homogenní směs, protože jde o homogenní kombinaci alkoholu a různých kyselin (octová, vinná, citrónová atd.).
8- vzduchu Homogenní směs kyslíku, dusíku, argonu a oxidu uhličitého dýcháme spolu s dalšími prvky v menším množství. Protože každá vrstva zemské atmosféry má jinou hustotu, je každá vrstva vzduchu svou vlastní homogenní směsí.
9- Toto lihoviny nebo kolínská, kterou používáte, abyste voněli, je dokonale homogenní směs chemikálií a barviv.
10- Mnoho kyselina a roztoky jsou homogenní směsi – například roztok zředěné kyseliny chlorovodíkové.
11- prášek, který se používá v různých výbušninách, je ve skutečnosti homogenní směs prvků, jako je síra, uhlí a ledek (také známý jako dusičnan draselný).
12- Mnoho nápoje Toto jsou příklady homogenních směsí, od pomerančového džusu, který pijete ráno, přes sklenici vody, kterou pijete odpoledne, až po šálek čaje, který polykáte před spaním.
13- Dobře protřepaná směs mýdlem a vodou příkladem homogenní směsi by bylo teplé mytí.
14- Jedna slitiny Je to kov sestávající ze dvou čistých kovů. Slitiny jako ocel a bronz jsou homogenní směsi dvou kovů.
15-ceite vegetal který se používá k přípravě homogenní směsi.
16- želatina je koloid, speciální typ homogenní směsi, ve které jsou částice mikroskopicky distribuovány skrz látku. Dalšími příklady tohoto typu homogenní směsi jsou oblak prachu, sklenice mléka a medu vyrobené včelami.
17- mosaz je homogenní směs (pevný roztok) mědi a zinku.
18- sirup proti kašli Je to také homogenní směs.
19- zvlhčený vzduch jedná se o homogenní směs vody a vzduchu.
20- perlivá voda jde o homogenní kombinaci oxidu uhličitého a vody.
21- výzva růžové zlatoRůžová nebo červená je homogenní směs ve formě slitiny zlata a mědi.
22- roztoky glukózy používat v nemocnici homogenní kombinace vody a glukózy.
23- tinktura jódu K dezinfekci ran se používá homogenní směs pevné látky (jód) v kapalině (alkohol).
24- olej Jedná se o homogenní kombinaci různých uhlovodíků a organických sloučenin.
25- parafínový vosk Je to homogenní směs pevných uhlovodíků, protože se získává z ropy odparafínováním lehkých mazacích olejů. Používá se ve svíčkách, voskovém papíru, leštičkách, kosmetice a elektrických izolátorech.
26- amalgám zlata jedná se o homogenní kombinaci rtuti a zlata. Slouží pro kobru hnědou, mosaz a také stříbro.
27- roztok naftalenu v benzenu – homogenní směs pevné a kapalné látky. Používá se jako repelent proti molům.
28- duralumin Jedná se o homogenní slitinu hliníku, mědi, hořčíku a manganu, která je tvrdá jako ocel a má vysokou mechanickou pevnost.
29- nealkoholické nápoje jsou homogenní směsí kapaliny a plynu.
30- mořská voda Je to homogenní roztok mezi vodou, solí a dalšími malými částicemi, které se nacházejí v moři.
