Vissa delar av grunderna för kemisk termodynamik börjar övervägas i gymnasiet. I kemilektioner stöter eleverna för första gången på sådana begrepp som reversibla och irreversibla processer, kemisk jämvikt, termisk effekt och många andra. Från skolans fysikkurs lär de sig om intern energi, arbete, potentialer och till och med bekanta sig med termodynamikens första lag.
Definition av termodynamik
Studenter vid universitet och högskolor för kemitekniska specialiteter studerar termodynamik i detalj inom ramen för fysikalisk och/eller kolloidal kemi. Detta är ett av de grundläggande ämnena, vars förståelse gör att du kan utföra de beräkningar som krävs för utvecklingen av nya tekniska produktionslinjer och utrustning för dem, och lösa problem i befintliga tekniska system.
Kemisk termodynamik brukar kallas en av de grenar av fysikalisk kemi som studerar kemiska makrosystem och relaterade processer baserade på de allmänna lagarna om omvandling av värme, arbete och energi till varandra.
Den bygger på tre postulat, som ofta kallas termodynamikens principer. De har intematematisk grund, men baseras på generaliseringen av experimentella data som har ackumulerats av mänskligheten. Många konsekvenser härleds från dessa lagar, som ligger till grund för beskrivningen av omvärlden.
Tasks
Kemisk termodynamiks huvuduppgifter inkluderar:
- en grundlig studie, samt en förklaring av de viktigaste mönstren som bestämmer riktningen av kemiska processer, deras hastighet, de förhållanden som påverkar dem (miljö, föroreningar, strålning etc.);
- beräkning av energieffekten av någon kemisk eller fysikalisk-kemisk process;
- detektion av villkor för maxim alt utbyte av reaktionsprodukter;
- bestämning av kriterier för jämviktstillståndet för olika termodynamiska system;
- upprättande av de nödvändiga kriterierna för det spontana flödet av en viss fysikalisk och kemisk process.
Objekt och objekt
Det här avsnittet av vetenskapen syftar inte till att förklara naturen eller mekanismen för något kemiskt fenomen. Hon är bara intresserad av energisidan av de pågående processerna. Därför kan ämnet kemisk termodynamik kallas energi och lagarna för energiomvandling under kemiska reaktioner, upplösning av ämnen under avdunstning och kristallisation.
Denna vetenskap gör det möjligt att bedöma om den eller den reaktionen är kapabel att utgå under vissa förhållanden, precis från frågans energisida.
Syften med dess studie kallas värmebalanser av fysikaliska och kemiska processer, fasövergångar och kemiska jämvikter. Och bara i makroskopiska system, det vill säga de som består av ett stort antal partiklar.
Methods
Termodynamisk sektion av fysikalisk kemi använder teoretiska (beräkning) och praktiska (experimentella) metoder för att lösa sina huvudproblem. Den första gruppen av metoder låter dig relatera olika egenskaper kvantitativt och beräkna några av dem baserat på andras experimentella värden, med hjälp av termodynamikens principer. Kvantmekanikens lagar hjälper till att fastställa sätten att beskriva och särdragen hos partiklarnas rörelse, för att koppla de kvantiteter som kännetecknar dem med de fysikaliska parametrar som bestämts under experimentens gång.
Kemisk termodynamiks forskningsmetoder är indelade i två grupper:
- Termodynamisk. De tar inte hänsyn till specifika ämnens natur och är inte baserade på några modellidéer om ämnens atomära och molekylära struktur. Sådana metoder brukar kallas fenomenologiska, det vill säga fastställa samband mellan observerade storheter.
- Statistisk. De är baserade på materiens struktur och kvanteffekter, gör det möjligt att beskriva beteendet hos system baserat på analys av processer som sker på nivån av atomer och deras beståndsdelar.
Båda dessa metoder har sina fördelar och nackdelar.
| Metod | Dignity | Flaws |
| Thermodynamic | På grund av den storaallmänheten är ganska enkel och kräver ingen ytterligare information, samtidigt som den löser specifika problem | Avslöjar inte processmekanismen |
| Statistical | Hjälper att förstå essensen och mekanismen för fenomenet, eftersom det är baserat på idéer om atomer och molekyler | Kräver noggranna förberedelser och en stor mängd kunskap |
Grundläggande begrepp för kemisk termodynamik
Ett system är vilket materiellt makroskopiskt studieobjekt som helst, isolerat från den yttre miljön, och gränsen kan vara både verklig och imaginär.
Typer av system:
- stängd (stängd) - kännetecknas av konstantheten hos den totala massan, det sker inget utbyte av materia med omgivningen, men energiutbyte är möjligt;
- öppen - utbyter både energi och materia med miljön;
- isolerad - utbyter inte energi (värme, arbete) eller materia med den yttre miljön, samtidigt som den har en konstant volym;
- adiabatisk-isolerad - har inte bara värmeväxling med omgivningen, utan kan förknippas med arbete.
Begreppen termiska, mekaniska och diffusionskontakter används för att indikera metoden för energi- och materiautbyte.
Systemtillståndsparametrar är alla mätbara makrokarakteristika för systemtillståndet. De kan vara:
- intense - oberoende av massa (temperatur, tryck);
- extensive (kapacitiv) - proportionell mot ämnets massa (volym,värmekapacitet, massa).
Alla dessa parametrar är lånade av kemisk termodynamik från fysik och kemi, men får ett något annorlunda innehåll, eftersom de anses vara beroende av temperatur. Det är tack vare detta värde som de olika fastigheterna är sammanlänkade.
Jämvikt är ett tillstånd i ett system där det kommer under konstanta yttre förhållanden och kännetecknas av en tillfällig konstanthet av termodynamiska parametrar, såväl som frånvaron av material och värmeflöden i det. För detta tillstånd observeras konstanten av tryck, temperatur och kemisk potential i hela systemets volym.
Jämvikts- och icke-jämviktsprocesser
Den termodynamiska processen intar en speciell plats i systemet med grundläggande begrepp inom kemisk termodynamik. Det definieras som förändringar i systemets tillstånd, vilka kännetecknas av förändringar i en eller flera termodynamiska parametrar.
Ändringar i systemets tillstånd är möjliga under olika förhållanden. I detta avseende görs en skillnad mellan jämvikts- och icke-jämviktsprocesser. En jämviktsprocess (eller kvasistatisk) betraktas som en serie jämviktstillstånd i ett system. I det här fallet ändras alla dess parametrar oändligt långsamt. För att en sådan process ska kunna äga rum måste ett antal villkor vara uppfyllda:
- Oändligt liten skillnad i värdena på verkande och motstående krafter (inre och yttre tryck, etc.).
- Oändligt långsam hastighet på processen.
- Maxim alt arbete.
- En oändligt liten förändring i yttre kraft ändrar flödesriktningenomvänd process.
- Värdena för arbetet med direkta och omvända processer är lika, och deras vägar är desamma.
Processen att ändra systemets icke-jämviktstillstånd till jämvikt kallas relaxation, och dess varaktighet kallas relaxationstid. Inom kemisk termodynamik tas ofta det största värdet av relaxationstiden för någon process. Detta beror på det faktum att verkliga system lätt lämnar jämviktstillståndet med de framväxande flödena av energi och/eller materia i systemet och är icke-jämvikt.
Reversibla och irreversibla processer
Reversibel termodynamisk process är övergången av ett system från ett av dess tillstånd till ett annat. Det kan flöda inte bara i framåtriktningen, utan också i motsatt riktning, dessutom genom samma mellanliggande tillstånd, medan det inte kommer att ske några förändringar i miljön.
Irreversibel är en process där övergången av systemet från ett tillstånd till ett annat är omöjligt, inte åtföljs av förändringar i miljön.
Oåterkalleliga processer är:
- värmeöverföring vid ändlig temperaturskillnad;
- expansion av en gas i vakuum, eftersom inget arbete utförs under det, och det är omöjligt att komprimera gasen utan att göra det;
- diffusion, eftersom gaserna efter avlägsnande lätt diffunderar inbördes, och den omvända processen är omöjlig utan arbete.
Andra typer av termodynamiska processer
Cirkulär process (cykel) är en sådan process, undervilket systemet kännetecknades av en förändring i dess egenskaper och i slutet av det återgick till sina ursprungliga värden.
Beroende på värdena för temperatur, volym och tryck som kännetecknar processen, särskiljs följande typer av processer inom kemisk termodynamik:
- Isotermisk (T=const).
- Isobaric (P=const).
- Isochoric (V=const).
- Adiabatic (Q=const).
Kemisk termodynamiks lagar
Innan man överväger de viktigaste postulaten är det nödvändigt att komma ihåg essensen av de kvantiteter som kännetecknar tillståndet för olika system.
Den inre energin U i ett system förstås som beståndet av dess energi, som består av partiklars rörelseenergi och interaktion, det vill säga alla typer av energi utom kinetisk energi och dess potentiella positionsenergi.. Bestäm dess förändring ∆U.
Entalpi H kallas ofta för det expanderade systemets energi, såväl som dess värmeinnehåll. H=U+pV.
Heat Q är en oordnad form av energiöverföring. Systemets inre värme anses vara positiv (Q > 0) om värme absorberas (endoterm process). Den är negativ (Q < 0) om värme frigörs (exoterm process).
Arbete A är en ordnad form av energiöverföring. Den anses vara positiv (A>0) om den utförs av systemet mot yttre krafter, och negativ (A<0) om den utförs av externa krafter på systemet.
Det grundläggande postulatet är termodynamikens första lag. Det är mångahans formuleringar, bland vilka följande kan urskiljas: "Energiens övergång från en typ till en annan sker i strikt ekvivalenta kvantiteter."
Om systemet gör en övergång från tillstånd 1 till tillstånd 2, åtföljd av absorption av värme Q, som i sin tur går åt till att ändra den inre energin ∆U och utföra arbete A, så är detta postulat matematiskt skrivet av ekvationerna: Q=∆U +A eller δQ=dU + δA.
Termodynamikens andra lag, liksom den första, härleds inte teoretiskt, utan har status som ett postulat. Dess tillförlitlighet bekräftas dock av konsekvenserna av den som motsvarar experimentella observationer. Inom fysikalisk kemi är följande formulering vanligare: "För vilket isolerat system som helst som inte är i ett jämviktstillstånd ökar entropin med tiden och dess tillväxt fortsätter tills systemet går in i ett jämviktstillstånd."
Matematiskt har detta postulat om kemisk termodynamik formen: dSisol≧0. Ojämlikhetstecknet i detta fall indikerar icke-jämviktstillståndet, och "="-tecknet indikerar jämvikt.
