|
Ideální a reálné systémy
|
HESLA:
Spojená formulace první a druhé věty, závislost Gibbsovy funkce na teplotě a na tlaku, chemický potenciál, fugacita, aktivita, roztoky, změna složení. |
Molekulární interpretace odchylek od ideálního chování spočívá vždy v mezimolekulových interakcích. |
|
Když se v termodynamice řekne „ideální“, rozumí se tím nejjednodušší možný kvantitativní vztah, který vyjadřuje limitní (mezní) chování. Ideální termodynamický objekt by se dal přirovnat k dobře namalované karikatuře, která zvýrazňuje základní rysy a rysy méně podstatné záměrně zanedbává. Nemělo by smysl vymýšlet neskutečný objekt, bez vztahu k realitě. U ideálního termodynamického objektu je souvislost s realitou taková, že existují podmínky, za nichž se reálný systém blíží ideálnímu chování. Termodynamika používá konceptu „ideální – reálný“ především proto, aby reálné vlastnosti, někdy v podrobnostech složité, mohla vidět jako modifikovanou základní vlastnost, tedy jako „poruchu“ ideálního chování. |
|
Nejzávažnějším důsledkem konceptu ideálního stavu je termodynamická volba tvaru rovnic, v nichž vystupují koncentrační údaje. U takovýchto rovnic termodynamika zachovává pro reálné soustavy funkční vztah platný pro ideální chování a použije fugacitu (u plynů) nebo aktivitu (u roztoků). Nejdůležitějším případem takovýchto rovnic jsou výrazy pro chemické potenciály. Nejdůležitějšími ideálními objekty pak jsou ideální plyn a ideální roztok.
|
|
Při zkoumání a popisu systému nás mohou zajímat různé veličiny. Výběr veličin je bohatý. Základní pravidlo však je, že stav systému o daném konstantním složení (známe látková množství všech komponent) určují jen dvě proměnné (uvědomit si to můžeme na příkladu stavových rovnic). To znamená, že pokud tyto proměnné zvolíme pro účely popisu jako nezávislé proměnné, všechny ostatní vlastnosti systému jsou jimi určeny. Také se na to můžeme dívat tak, že vztahy jedněch veličin určují vztahy jiných veličin. V odvozování a transformaci těchto vztahů je mistrovství termodynamiky. Můžete to posoudit pohledem na následující dvě ukázky.
|
|
Vnitřní energie konstantního množství
ideálního plynu nezávisí na jeho objemu.
|
|
|
|
Vnitřní energie konstantního množství
ideálního plynu nezávisí na jeho tlaku. |
|
|
Obě odvození vychází z přesných termodynamických vztahů a z předpokladu, že plyn je ideální, tedy řídí se stavovou rovnicí ideálního plynu. Důsledkem je tvrzení, že vnitřní energie ideálního plynu závisí pouze na teplotě. Tento závěr můžeme vyvodit i z kinetické teorie ideálního plynu – soustavy mikroobjektů bez vnitřní struktury, které interagují jen pružnými srážkami. Tam je však odvození vázáno na model a je v přesném provedení daleko komplikovanější. |
|
Z hlediska molekulární struktury spočívá rozdíl mezi ideálním a reálným chováním v mezimolekulových interakcích. V plynné fázi je limitní, ideální chování spojeno s malou hustotou částic, kdy jejich průměrná vzdálenost je velká a mezimolekulové interakce tudíž zanedbatelně přispívají k makroskopickým vlastnostem. V kapalné fázi, u roztoků však mezimolekulové interakce odpovídají za to, že molekuly jsou kondenzované. Ideální chování roztoku je tím výraznější, čím jsou si vzájemné interakce stejných a různých molekul v roztoku podobnější. |
|
Kvantitativní popis reálného chování činí z pokročilé termodynamiky náročnou disciplínu a ve statistické termodynamice je velmi obtížný. Pochopení ideálního chování však patří do základů chemické teorie. |
|
|