Kemijska termodinamika: osnovni koncepti, zakoni, problemi

V srednji šoli se začenjajo razmišljati o ločenih elementih temeljev kemične termodinamike. Na tečajih kemije študentje prvič srečujejo s takšnimi pojmi kot reverzibilni in nepopravljivi procesi, kemični

Definicija termodinamike

Študenti univerz in višješolskih kemijskih in tehnoloških specialitet študijo termodinamike podrobneje v okviru fizikalne in / ali koloidne kemije. To je eden od temeljnih tem, katerega razumevanje nam omogoča izračune, potrebne za razvoj novih proizvodnih linij in opreme za njih, reševanje problemov v obstoječih tehnoloških shemah.

Običajno je kemična termodinamika klicati na enega od delov fizikalne kemije, ki preučuje kemične makrosisteme in procese, povezane z njimi, na podlagi splošnih zakonov o preoblikovanju toplote, dela in energije v druge.

Temelji na treh postulatih, ki se pogosto imenujejo začetki termodinamike. Nimajo matematične osnove, ampak temeljijo na posploševanju eksperimentalnih podatkov, ki jih je nabralo človeštvo. Iz teh zakonov so ugotovljene številne posledice, postavljene v osnovi opisa okoliškega sveta.

Cilji

Glavne naloge kemijske termodinamike so:

• temeljito proučevanje, pa tudi razlago najpomembnejših pravilnosti, ki določajo smer kemičnih procesov, stopnjo njihovega pretoka, pogoje, ki vplivajo na njih (okolje, nečistote, sevanja itd.);
• izračun energijskega učinka katerega koli kemičnega ali fizikalno-kemijskega postopka;
• določitev pogojev za največji donos reakcijskih proizvodov;
• določitev meril ravnotežnega stanja za različne termodinamske sisteme;
• določitev potrebnih meril za spontani tok določenega fizičnega in kemičnega postopka.

Predmet in predmet

Ta del znanosti ne postavlja cilja razlagati narave ali mehanizma kakršnega koli kemijskega pojava. Zanima jo samo energetska stran procesov, ki potekajo. Zato je predmet kemijske termodinamike mogoče imenovati energija in zakoni pretvorbe energije v času kemijskih reakcij, raztapljanje snovi med izhlapevanjem in kristalizacijo.

Ta znanost omogoča presojo, ali lahko določena reakcija pod določenimi pogoji nadaljuje z energijske strani vprašanja.

Predmet njegove študije so toplotna bilanca fizikalno-kemijskih procesov, faznih prehodov in kemičnih ravnotežij. In samo v makroskopskih sistemih, to je tistih, ki so sestavljene iz ogromnega števila delcev.

Metode

Termodinamična veja fizikalne kemije uporablja teoretične (izračunane) in praktične (eksperimentalne) metode za reševanje svojih osnovnih problemov. Prva skupina metod omogoča, da kvantitativno povežete različne lastnosti in izračunate eno od njih, ki temelji na eksperimentalnih vrednostih drugih, z uporabo načel termodinamike. Zakoni kvantne mehanike pomagajo določiti metode za opisovanje in karakterizacijo gibanja delcev, da bi se količine, ki jih označujejo, nanašajo na fizične parametre, določene v poskusih.

Raziskovalne metode kemijske termodinamike so razdeljene v dve skupini:

• Termodinamika. Ne upoštevajo narave določenih snovi, ne temeljijo na nobenem modelu atomsko-molekularne strukture snovi. Takšne metode se ponavadi imenujejo fenomenološke, torej vzpostavljanje razmerja med opazovanimi količinami.
• Statistični podatki. Temelji na strukturi snovi in ​​kvantnih učinkov, omogočajo nam opisovanje vedenja sistemov, ki se opira na analizo procesov, ki se pojavljajo na ravni atomov in njihovih sestavnih delcev.

Oba pristopa imajo svoje prednosti in slabosti.

Osnovni pojmi kemijske termodinamike

Sistem je kateri koli materialni makroskopski predmet študije, ločen od zunanjega okolja, meja pa je lahko bodisi resnična ali imaginarna.

Vrste sistemov:

• zaprto (zaprto) - z nenehno konstanto celotne mase ni izmenjave snovi z zunanjim okoljem, vendar je možna izmenjava energije;
• Odprta - izmenjava z okoljem in energijo ter snov;
• izolirani - ne izmenjujejo z okoljem niti energije (toplote, dela), niti materije, medtem ko ima konstantno prostornino;
• adiabatno izolirana - nima samo toplotne izmenjave z zunanjim okoljem, temveč jo lahko povežemo z delom.

Koncept toplotnih, mehanskih in difuzijskih kontaktov se uporablja za označevanje načina izmenjave energije in snovi.

Parametri stanja sistema so vse merljive makro značilnosti stanja sistema. Lahko so:

• intenzivno - neodvisno od mase (temperatura, tlak);
• obsežen (kapacitiven) - sorazmeren z maso snovi (prostornina, toplotna kapaciteta, masa).

Vsi ti parametri se poslužujejo kemijske termodinamike v fiziki in kemiji, vendar pridobijo nekoliko drugačno vsebino, saj se upoštevajo glede na temperaturo. Zaradi tega obsega so različne lastnosti povezane.

Ravnotežje se imenuje stanje sistema, v katerem je prisotno s konstantnimi zunanjimi pogoji, za katerega je značilna začasna stalnost termodinamskih parametrov, pa tudi odsotnost dejanskih in toplotnih tokov v njem. Za to stanje sta tlak, temperatura in kemijski potencial nenehno ves čas celotne prostornine sistema.

Ravnotežni in neravnovesni procesi

Termodinamični proces zavzema posebno mesto v sistemu osnovnih pojmov kemijske termodinamike. Opredeljen je kot sprememba v stanju sistema, za katerega so značilne spremembe v enem ali več termodinamski parametri.

Spremembe v stanju sistema so možne pod različnimi pogoji. V zvezi s tem razlikujemo med ravnovesnimi in neravnotežnimi procesi. Ravnotežni (ali kvazistatični) proces se šteje kot niz ravnovesnih stanj vsakega sistema. V tem primeru se vsi njeni parametri spremenijo neskončno počasi. Za nadaljevanje takega postopka je potrebno upoštevati več pogojev:

1. Infinitesimalna razlika v vrednostih delujočih in nasprotnih sil (notranji in zunanji tlak in tako naprej).
2. Brezstopenjsko počasen proces.
3. Največje delo.
4. Infinitesimalna sprememba zunanje sile obrne smer procesa.
5. Vrednosti dela neposrednih in inverznih procesov so enake in njihove poti sovpadajo.

Proces spreminjanja neravnovesnega stanja sistema v ravnovesje se imenuje sprostitev, njegovo trajanje pa se imenuje čas sprostitve. V kemični termodinamiki je največja vrednost relaksacijskega časa za določen proces pogosto predvidena. To je posledica dejstva, da resnični sistemi enostavno zapustijo stanje ravnovesja s nastajajočimi tokovi energije in / ali snovi v sistemu in so neravnovesni.

Reverzibilni in ireverzibilni procesi

Reverzibilen termodinamični proces je prehod sistema iz enega stanja v drugega. Lahko teče ne samo v smeri naprej, ampak tudi v nasprotni smeri in skozi iste vmesne države, brez opaznih sprememb v okolju.

Nepovraten je proces, pri katerem ni mogoče prehoditi sistema iz enega v drugega v stanje, ki ga spremljajo spremembe v okolju.

Nepovratni procesi so:

• prenos toplote pri končni temperaturni razliki;
• ekspanzijo plina v vakuumu, ker ne opravlja dela, in je brez njega mogoče stisniti plin;
• saj se po odstranitvi plinov zlahka medsebojno razprši in obratni proces brez opravljanja dela je nemogoč.

Druge vrste termodinamičnih procesov

Krožni proces (cikel) je proces, v katerem je sistem značilen zaradi spremembe njegovih lastnosti, na koncu pa se je vrnil na prvotne vrednosti.

Odvisno od vrednosti temperature, volumna in tlaka, ki karakterizirajo postopek, se razlikujejo naslednje vrste kemijske termodinamike:

• Izotermalna (T = const).
• Isobaric (P = const).
• Izohorični (V = const).
• Adiabatski (Q = const).

Zakoni kemijske termodinamike

Pred obravnavo osnovnih postulatov je treba opozoriti na bistvo količin, značilnih za stanje različnih sistemov.

Za notranjo energijo U sistema velja, da pomeni energijsko rezervo, ki je sestavljena iz energij gibanja in medsebojnega delovanja delcev, to je vseh vrst energije, razen kinetične energije in njegove potencialne energije v položaju. Določite njeno spremembo ΔU.

Entalgija H se pogosto imenuje energija razširjenega sistema, pa tudi njegova vsebnost toplote. H = U + pV.

Toplota Q je neurejena oblika prenosa energije. Notranja toplota sistema je pozitivna (Q> 0), če se absorbira toplota (endotermični proces). Negativno (Q < 0) v primeru izpusta toplote (eksotermni proces).

Delo A se imenuje urejena oblika prenosa energije. Šteje se, da je pozitiven (A> 0), če ga sistem naredi proti zunanjim silam in negativen (A<0), če jih izvajajo zunanje sile nad sistemom.

Glavni pojem je prvi zakon termodinamike. Obstaja veliko njegovih formulacij, med katerimi lahko razlikujemo naslednje: "Prehod energije iz ene vrste v drugo se zgodi v popolnoma enakih količinah."

Če sistem omogoča prehod iz stanja 1 v stanje 2, skupaj z absorpcijo toplote Q, ki pa je preživel na spremembo notranje energije ΔU in dela A, matematično ta postulat enačbe napisal: Q = ΔU + A ali delta-Q = dU + delta-A.

Drugi zakon termodinamike, kot je prvi, ni teoretično sklepan, temveč ima status postulata. Vendar pa njegovo veljavnost potrjujejo izjave, ki ustrezajo eksperimentalnim opazovanjem. V fizikalni kemiji je naslednja formulacija pogostejša: "V vsakem izoliranem sistemu, ki ni v stanju ravnotežja, se entropija s časom poveča, njena rast pa se nadaljuje, dokler sistem ne stopi v ravnotežje."

Matematično, ta postulat kemične termodinamike ima obliko: dS_izolacijage-0. Znak neenakosti v tem primeru kaže neravnovesje stanja in znak "=" za ravnotežje.