Kemijska termodinamika: osnovni pojmovi, zakoni, problemi

Počele su se razmatrati odvojeni elementi temelja kemijske termodinamike u srednjoj školi. Na poučavanju kemije studenti prvi put susreću koncepte kao što su reverzibilni i nepovratni procesi, kemijski

Definicija termodinamike

Studenti sveučilišta i fakulteta kemijskih i tehnoloških specijaliteta detaljno proučavaju termodinamiku u okviru fizikalne i / ili koloidne kemije. To je jedan od temeljnih subjekata čije razumijevanje omogućuje izračunavanje potrebnih za razvoj novih proizvodnih linija i opreme, rješavanje problema u postojećim tehnološkim shemama.

Kemijska termodinamika se naziva dio fizikalne kemije, kemijske studije makro i srodnim procesima temelji se na općim zakonima transformacije toplinske energije i raditi jedni s drugima.

Temelji se na tri postulata, koji se često nazivaju početkom termodinamike. Oni nemaju matematičku osnovu, već se temelje na generalizaciji eksperimentalnih podataka koje je prikupio čovječanstvo. Iz tih zakona izvedeni su brojne posljedice, postavljene u osnovi opisa okolnog svijeta.

zadaci

Glavne zadaće kemijske termodinamike su:

• temeljita studija, kao i objašnjenje od najvažnijih zakona koji određuju smjer kemijske procese i njihove uvjete količine protoka utjecati na njih (srijeda, nečistoća, zračenja, itd);
• izračunavanje energetskog učinka bilo kojeg kemijskog ili fizikalno-kemijskog procesa;
• utvrđivanje uvjeta za maksimalni prinos reakcijskih proizvoda;
• određivanje kriterija ravnotežnog stanja za različite termodinamičke sustave;
• uspostavljanje neophodnih kriterija za spontani tok određenog fizičkog i kemijskog procesa.

Predmet i objekt

Ovaj dio znanosti ne postavlja cilj objašnjavanja prirode ili mehanizma bilo kojeg kemijskog fenomena. Zainteresirana je samo za energetsku stranu procesa koji se odvijaju. Stoga se subjekt kemijske termodinamike može nazvati energijom i zakonima pretvorbe energije tijekom kemijskih reakcija, otapanja tvari tijekom evaporacije i kristalizacije.

Ta znanost omogućava prosuđivanje može li se određena reakcija provesti pod određenim uvjetima s energetske strane pitanja.

Predmeti njegove studije su toplinska ravnoteža fizikalno-kemijskih procesa, fazne prijelaze i kemijska ravnoteža. I samo u makroskopskim sustavima, to jest onima koji se sastoje od ogromnog broja čestica.

metode

Termodinamička grana fizikalne kemije koristi teorijske (izračunate) i praktične (eksperimentalne) metode za rješavanje osnovnih problema. Prva skupina metoda omogućuje vam kvantitativno povezivanje različitih svojstava i izračunati jedan od njih, na temelju eksperimentalnih vrijednosti drugih, koristeći principe termodinamike. Zakoni kvantne mehanike pomažu u utvrđivanju metoda za opisivanje i karakterizaciju kretanja čestica, kako bi se povezali s količinama koje su ih karakterizirale fizičkim parametrima određenim tijekom eksperimenata.

Metode istraživanja kemijske termodinamike podijeljene su u dvije skupine:

• Termodinamička. Oni ne uzimaju u obzir prirodu specifičnih tvari, ne temelje se na bilo kojem modelu atomsko-molekularne strukture tvari. Takve se metode obično nazivaju fenomenološkim, odnosno uspostavljanjem odnosa između promatranih količina.
• Statistika. Temelji se na strukturi materije i kvantnim učincima, omogućuju nam opisivanje ponašanja sustava, oslanjajući se na analizu procesa koji se javljaju na razini atoma i njihovih sastavnih čestica.

Oba ova pristupa imaju svoje prednosti i nedostatke.

Osnovni koncepti kemijske termodinamike

Sustav je bilo koji materijalni makroskopski objekt studija, odvojen od vanjskog okruženja, a granica može biti stvarna ili imaginarna.

Vrste sustava:

• zatvoreno (zatvoreno) - karakterizirano konstantama ukupne mase, nema razmjene tvari s vanjskim okolišem, ali je moguća izmjena energije;
• Otvorene razmjene s okolinom i energijom, te tvari;
• izolirano - ne zamjenjuje okolišom ni energijom (toplinom, radom) niti materije, dok ima konstantan volumen;
• adijabatički izoliran - nema samo toplinsku izmjenu s vanjskim okolišem, već se može povezati s radom.

Koncepti toplinskih, mehaničkih i difuzijskih kontakata koriste se za označavanje načina razmjene energije i materije.

Parametri stanja sustava su svaka mjerljiva makro-karakteristika stanja sustava. Mogu biti:

• intenzivno - neovisno o masi (temperatura, tlak);
• opsežno (kapacitivno) - proporcionalno masi tvari (volumen, toplinski kapacitet, masa).

Svi ovi parametri posuđuju kemijska termodinamika u fizici i kemiji, ali dobivaju malo drugačiji sadržaj jer se smatraju ovisno o temperaturi. Zahvaljujući ovoj veličini različite su svojstva međusobno povezane.

To se zove ravnotežna stanja sustava u kojem dolazi pod stalnim vanjskim uvjetima, a odlikuje se privremeni nastavak od termodinamičkih parametara, kao i nedostatak materijala u njemu, i tokova topline. Za ovo stanje, tlak, temperatura i kemijski potencijal su konstantni tijekom čitavog volumena sustava.

Ravnotežni i neravnotežni procesi

Termodinamički proces zauzima posebno mjesto u sustavu osnovnih koncepata kemijske termodinamike. To se definira kao promjene u stanju sustava koje su karakterizirane promjenama u jednom ili više termodinamički parametri.

Promjene u stanju sustava moguće su pod različitim uvjetima. U tom smislu razlikuju se ravnotežni i nejednaki procesi. Ravnotežni (ili kvazistatički) proces se smatra nizom ravnotežnih stanja bilo kojeg sustava. U tom slučaju svi njegovi parametri mijenjaju beskonačno polako. Da bi nastavio s takvim procesom, potrebno je promatrati niz uvjeta:

1. Infinitezimalna razlika u vrijednostima djelujućih i suprotnih sila (unutarnji i vanjski pritisak i tako dalje).
2. Beskrajno spora brzina procesa.
3. Maksimalni rad.
4. Infinitezimalna promjena vanjske sile preokreće smjer procesa.
5. Vrijednosti djela izravnih i inverznih procesa su jednake, a njihovi se putovi podudaraju.

Proces promjene necilijalnog stanja sustava prema ravnoteži naziva se opuštanje, a njegovo trajanje naziva se vrijeme opuštanja. U kemijskoj termodinamici često se pretpostavlja najveća vrijednost vremena opuštanja za određeni proces. To je zbog činjenice da stvarni sustavi lako napuštaju stanje ravnoteže s izvorima energije i / ili tvari u sustavu i nejednakosti.

Reverzibilni i nepovratni procesi

Reverzibilni termodinamički proces je prijelaz sustava iz jedne države u drugu. Može protjecati ne samo u smjeru naprijed, nego iu suprotnom smjeru, i kroz iste međudržavne stanja, bez promjena u promatranom okolišu.

Nepovratni je proces za koji je tranzicija sustava iz jedne države u drugu nemoguća, a ne praćene promjenama u okolišu.

Nepovratni procesi su:

• prijenos topline pri konačnoj temperaturnoj razlici;
• širenje plina u vakuumu, jer ne obavlja posao, a nemoguće ga je iscijediti bez njega;
• jer će nakon odstranjivanja plinova biti lako međusobno difuzirati, a obrnuto proces bez obavljanja posla je nemoguće.

Ostale vrste termodinamičkih procesa

Kružni proces (ciklus) je proces u kojem je sustav karakteriziran promjenom njegovih svojstava, a na kraju se vratio na izvorne vrijednosti.

Ovisno o vrijednostima temperature, volumena i pritiska koji karakteriziraju proces, razlikuju se sljedeće vrste kemijskih termodinamika:

• Izotermno (T = const).
• Isobar (P = const).
• Isohorički (V = const).
• Adiabatic (Q = const).

Zakoni kemijske termodinamike

Prije razmatranja osnovnih postulata nužno je podsjetiti na suštinu količina koje karakteriziraju stanje različitih sustava.

Pod unutarnje energije U sustava razumjeti njegovo napajanje je zbroj energija kretanja i interakcije čestica, to jest, svi oblici energije, osim kinetičke energije i potencijalne energije njegovih odredbi. Odredite njegovu varijaciju ΔU.

Entalpija H se često naziva energijom proširenog sustava, kao i njegovog toplinskog sadržaja. H = U + pV.

Toplina Q je neuredan oblik prijenosa energije. Unutarnja toplina sustava smatra se pozitivnim (Q> 0) ako se apsorbira toplina (endotermni proces). Negativni (Q < 0) u slučaju kad se oslobodi toplina (egzotermni proces).

Rad A se naziva naraštajni oblik prijenosa energije. Smatra se pozitivnim (A> 0), ako je sustav počinio protiv vanjskih sila i negativan (A<0), ako ih izvode vanjske sile preko sustava.

Glavni postulat je prvi zakon termodinamike. Postoje mnoge njegove formulacije, među kojima možemo razlikovati sljedeće: "Prijelaz energije iz jedne vrste na drugu događa se u strogo ekvivalentnim količinama".

Ako sustav čini prijelaz iz stanja 1 u stanje 2, uz apsorpciju topline Q, koji pak, se troši na promjenu unutarnje energije ΔU i radu A, matematički je ova pretpostavka jednadžbe pismenog: Q = ΔU + A ili delta-Q = dU + delta-A.

Drugi zakon termodinamike, kao prvo, ne proizlazi teoretski, ali ima status postulat. Međutim, njegova valjanost potvrđuje i istraživanje to odgovara eksperimentalnim opažanjima. U fizikalne kemije često događa glasi: „U svakom izoliranom sustavu, što nije u ravnoteži, entropija povećava s vremenom, i nastavlja svoj rast, dok je sustav u stanju ravnoteže.”

Matematički, ovaj postulat kemijske termodinamike ima oblik: dS_izolacijage-0. Neravnopravnost znak u ovom slučaju ukazuje na neravnotežu države, a znak "=" za ravnotežu.