Предисловие автора к изданию на русском языке

  Термодинамика неравновесных процессов – относительно новый раздел термодинамики, появившийся в 50-х гг. прошлого столетия. Традиционно его рассматривают как очень сложный и достаточно трудно воспринимаемый раздел физической химии, требующий сильной физической подготовки и малопригодный для использования в обычных химических исследованиях. В стандартных учебниках по химической термодинамике для студентов-химиков проблеме термодинамики неравновесных процессов стали уделять внимание лишь в самые последние годы, посвящая этому разделу обычно лишь небольшую главу, обсуждающую процессы в основном вблизи термодинамического равновесия. К сожалению, процессы вблизи равновесия, как правило, не является предметом особого интереса для химиков и биологов.
   

  Тем не менее опыт автора настоящего учебника, попытавшегося начиная с 1995 г. адаптировать курс термодинамики неравновесных процессов для студентов-химиков Факультета естественных наук НГУ, показал, что предмет термодинамики неравновесных процессов может быть достаточно просто изложен на языке, доступном любому химику с базовым физико­химическим образованием в объеме стандартных курсов классической термодинамики равновесных процессов и химической кинетики. Более того, данный предмет объединяет термодинамику и химическую кинетику. Поэтому освоение химиками методологии термодинамики неравновесных процессов может оказаться очень полезным для тех, кто занимается исследованием сложных химических превращений, особенно каталитических. В частности, именно в курсе термодинамики неравновесных процессов удается последовательно и корректно определить такие важнейшие и обычно «замалчиваемые» в стандартных курсах химической кинетики понятия, как условия кинетической необратимости сложных стехиометрических реакций, скорость-определяющая стадия и скорость-лимитирующая стадия («узкое горло» химической реакции), кинетический компенсационный эффект 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 химической кинетики. С 1999 г. курс читается как отдельный общецикловый полусеместровый курс, постоянно пополняемый в связи с постепенным развитием предмета курса.
 

   В результате содержание и последовательность изложения материала в курсе существенно отличается от того, как это делается в других известных автору версий курса термодинамики неравновесных процессов.
 

  Необходимо специально отметить, что настоящий учебник рассматривает применение приемов термодинамики неравновесных процессов только к химическим превращениям в системах с «локальным» равновесием. Это подразумевает, что скорость образуемых превращений намного меньше скорости релаксации интермедиатов – промежуточных продуктов превращений к максвелл-больцмановскому равновесию с окружающей средой, т. е. «термализации» интермедиатов. Данное приближение позволяет использовать для описания свойств интермедиатов их химические потенциалы и, как следствие, многие привычные или традиционные представления о кинетике химических превращений и проч. Рассмотрение быстропротекающих химических превращений с интермедиатами, не успевающими достичь максвелл-больцмановского равновесия с окружающей средой, является уделом многократно более сложной статистической неравновесной термодинамики. К счастью для подавляющего большинства специалистов-химиков, почти все изучаемые процессы в конденсированных фазах и большинство газофазных превращений для своего анализа не требуют использования сложного аппарата упомянутой очень математически сложной науки.
  

   В настоящем учебнике основное внимание уделяется возможности применения подходов термодинамики неравновесных процессов к анализу «чисто» химических превращений, включая каталитические реакции и некоторые специфические особенности синтеза материалов. Одновременно почти не уделяется внимания рассмотрению вопросов применения термодинамически неравновесных процессов к проблемам конвективного и диффузионного тепломассопереноса, биохимии и процессам внутри живых организмов, включая процессы на активных биомембранах в митохондриях, и т. п. Это связано с тем, что обсуждение проблем пространственно неоднородных систем и, в частности, тепломассопереноса требует широкого использования аппарата дифференциальных и интегральных исчислений с частными производными, не очень «любимого» обычными химиками. Кроме того, по этим вопросам существует множество специальной литературы, включая учебную. Некоторые примеры такой литературы указаны в конце книги в перечне рекомендуемой литературы. Дополнительно в конце книги для каждой главы приведена учебная и обзорная литература, позволяющая более глубоко ознакомиться с вопросами, излагаемыми в главах.
 

  Современный специалист-химик кроме досконального знания своего предмета должен понимать также язык и основные используемые термины и понятия других наук, особенно имеющих хотя бы косвенное отношение к химии. Поэтому дополнительной задачей читаемого автором курса явилось формирование у современного студента и аспиранта-химика способности ориентироваться в некоторых активно развиваемых наукой и техникой вопросах, остающихся вне стандартных курсов обучения химиков и связанных с использованием таких нередко мистифицированных околонаучной литературой понятий как бифуркация, аттрактор, естественный отбор, информация, биоинформация и т.п. Тем более, что многие из этих понятий непосредственно связаны с проблемами динамического поведения сложных систем и, как следствие, термодинамики неравновесных процессов.
 

  Настоящая книга – учебник, а не обзор или научная монография. Поэтому автор заранее просит прощения у своих коллег за явно недостаточно всестороннее и исчерпывающее обсуждение многих упомянутых в курсе и очень интересных научных проблем, а также отсутствие надлежащего цитирования доступной оригинальной и обзорной литературы. Тем не менее, по ряду вопросов, особенно касающихся исторических приоритетов или необходимости справочного цитирования, в конце глав даются ссылки и на оригинальные публикации. Следуя новой и, по мнению автора, очень хорошей традиции современных учебников давать краткие биографические справки относительно имен упоминаемых специалистов, автор также попытался сделать такие справки, обнаружив при этом многое неожиданное и поучительное для себя и, конечно же, обучающегося.
 

   Преподавание курса термодинамики неравновесных процессов у студентов-химиков НГУ завершается, как это принято в Московском физико-техническом институте и на многих кафедрах последователя МФТИ – НГУ, контрольной работой – экзаменом с самостоятельным решением задач как теоретического, так и расчетного характера. Поэтому у автора учебника сформировалась обширная подборка этих задач, которая могла бы быть подготовлена к выпуску в виде отдельного задачника. Тем не менее, для экономии объема настоящего учебника автор ограничился формулировкой лишь небольшого числа характерных вопросов, полезных для самостоятельной проверки усвоения изложенного материала. По примеру многих зарубежных учебников эти задачи приводятся в конце соответствующих глав.
 

   Часть материала данного учебника в первичном виде публиковалась в виде отдельной главы в более общих учебниках (см., например, раздел 3 в учебнике Н.М. Бажин, В.А. Иванченко, В.Н. Пармон, «Термодинамика для химиков», КолосС: М., 2004, 216 с.).
 

  Первое издание предлагаемого учебника в виде отдельной книги – учебного пособия было осуществлено в 2005 году тиражом в 150 экз. издательством Новосибирского госуниверситета под названием «Лекции по термодинамике неравновесных процессов для химиков». Электронная версия этого пособия общедоступна в качестве методического материала на сайте Факультета естественных наук НГУ (см. http//:fen.nsu.ru). В конце 2005 года пособие получило гриф Учебно-методического объединения по университетскому образованию «Допущено в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности «Химия»».

  К сожалению, по ряду малозависящих от автора причин расширенная англоязычная версия опубликованного в НГУ учебного пособия появилась раньше русскоязычной (см. V.N. Parmon, Thermodynamics of Non-Equilibrium Processes for Chemists with a Particular Application to Catalysis, Elsevier: Amsterdam, 2010, 321 p.). Поэтому предлагаемая читателю русскоязычная книга является по сути вторым изданием упомянутого учебника, существенно расширенным по сравнению с англоязычной версией.
 

   Автор считает своим долгом выразить свою искреннюю благодарность Н.А. Чистяковой, на долю которой легла техническая подготовка рукописи к печати и которая терпеливо вносила неимоверное количество исправлений в текст, а также Е.Б. Никифоровой, на которую лег весь труд по подготовке англоязычной версии учебника.
 

   Особенную благодарность автор хотел бы выразить и профессору НГУ А.Г. Окуневу, который, будучи аспирантом, много работал с автором курса по разработке некоторых теоретических проблем и, в частности, первым обратил внимание на существование функционала Ляпунова вдали от термодинамического равновесия.