Noen elementer av det grunnleggende innen kjemisk termodynamikk begynner å bli vurdert på videregående. I kjemitimer kommer elevene for første gang over slike konsepter som reversible og irreversible prosesser, kjemisk likevekt, termisk effekt og mange andre. Fra skolens fysikkkurs lærer de om indre energi, arbeid, potensialer, og blir til og med kjent med termodynamikkens første lov.
Definisjon av termodynamikk
Studenter ved universiteter og høyskoler for kjemitekniske spesialiteter studerer termodynamikk i detalj innenfor rammen av fysisk og/eller kolloidal kjemi. Dette er et av de grunnleggende fagene, hvis forståelse lar deg utføre de beregningene som er nødvendige for utvikling av nye teknologiske produksjonslinjer og utstyr for dem, og løse problemer i eksisterende teknologiske ordninger.
Kjemisk termodynamikk kalles vanligvis en av grenene innen fysisk kjemi som studerer kjemiske makrosystemer og relaterte prosesser basert på de generelle lovene om transformasjon av varme, arbeid og energi til hverandre.
Den er basert på tre postulater, som ofte kalles termodynamikkens prinsipper. De har ikkematematisk grunnlag, men er basert på generalisering av eksperimentelle data som har blitt akkumulert av menneskeheten. Tallrike konsekvenser er avledet av disse lovene, som danner grunnlaget for beskrivelsen av omverdenen.
Oppgaver
Hovedoppgavene til kjemisk termodynamikk inkluderer:
- en grundig studie, samt en forklaring av de viktigste mønstrene som bestemmer retningen til kjemiske prosesser, deres hastighet, forholdene som påvirker dem (miljø, urenheter, stråling osv.);
- beregning av energieffekten av enhver kjemisk eller fysisk-kjemisk prosess;
- deteksjon av betingelser for maksim alt utbytte av reaksjonsprodukter;
- bestemmelse av kriterier for likevektstilstanden til ulike termodynamiske systemer;
- etablering av de nødvendige kriteriene for spontan flyt av en bestemt fysisk og kjemisk prosess.
Objekt og objekt
Denne delen av vitenskapen har ikke som mål å forklare naturen eller mekanismen til noe kjemisk fenomen. Hun er kun interessert i energisiden av de pågående prosessene. Derfor kan emnet kjemisk termodynamikk kalles energi og lovene for energiomdannelse i løpet av kjemiske reaksjoner, oppløsning av stoffer under fordampning og krystallisering.
Denne vitenskapen gjør det mulig å bedømme om denne eller den reaksjonen er i stand til å fortsette under visse forhold, nettopp fra energisiden av saken.
Objektene for studien kalles varmebalanser av fysiske og kjemiske prosesser, faseoverganger og kjemiske likevekter. Og bare i makroskopiske systemer, det vil si de som består av et stort antall partikler.
Methods
Termodynamisk del av fysisk kjemi bruker teoretiske (beregning) og praktiske (eksperimentelle) metoder for å løse hovedproblemene. Den første gruppen av metoder lar deg kvantitativt relatere forskjellige egenskaper, og beregne noen av dem basert på andres eksperimentelle verdier, ved å bruke prinsippene for termodynamikk. Kvantemekanikkens lover bidrar til å etablere måter å beskrive og trekk ved bevegelsen til partikler, for å koble mengdene som karakteriserer dem med de fysiske parameterne som er bestemt i løpet av eksperimenter.
Forskningsmetoder for kjemisk termodynamikk er delt inn i to grupper:
- Termodynamisk. De tar ikke hensyn til spesifikke stoffers natur og er ikke basert på noen modellideer om stoffers atomære og molekylære struktur. Slike metoder kalles vanligvis fenomenologiske, det vil si å etablere sammenhenger mellom observerte mengder.
- Statistisk. De er basert på materiens struktur og kvanteeffekter, og gjør det mulig å beskrive oppførselen til systemer basert på analyse av prosesser som skjer på nivå med atomer og deres bestanddeler.
Begge disse tilnærmingene har sine fordeler og ulemper.
| Metode | Dignity | Flaws |
| termodynamisk | På grunn av den storegeneraliteten er ganske enkel og krever ikke tilleggsinformasjon, samtidig som den løser spesifikke problemer | Avslører ikke prosessmekanismen |
| Statistical | Hjelper å forstå essensen og mekanismen til fenomenet, siden det er basert på ideer om atomer og molekyler | Krever grundige forberedelser og mye kunnskap |
Grunnleggende konsepter for kjemisk termodynamikk
Et system er et hvilket som helst materiellt makroskopisk studieobjekt, isolert fra det ytre miljø, og grensen kan være både reell og imaginær.
Systemtyper:
- lukket (lukket) - preget av konstantheten til den totale massen, det er ingen utveksling av materie med omgivelsene, men energiutveksling er mulig;
- åpen - utveksler både energi og materie med miljøet;
- isolert - utveksler ikke energi (varme, arbeid) eller materie med det ytre miljøet, mens det har et konstant volum;
- adiabatisk-isolert - har ikke bare varmeveksling med omgivelsene, men kan assosieres med arbeid.
Begrepene termiske, mekaniske og diffusjonskontakter brukes for å indikere metoden for energi- og materieutveksling.
Systemtilstandsparametere er alle målbare makrokarakteristikker for systemtilstanden. De kan være:
- intense - uavhengig av masse (temperatur, trykk);
- extensive (kapasitiv) - proporsjonal med massen til stoffet (volum,varmekapasitet, masse).
Alle disse parameterne er lånt av kjemisk termodynamikk fra fysikk og kjemi, men får et litt annet innhold, siden de vurderes avhengig av temperatur. Det er takket være denne verdien at de ulike eiendommene henger sammen.
Equilibrium er en tilstand av et system der det kommer under konstante ytre forhold og er preget av en midlertidig konstanthet av termodynamiske parametere, samt fravær av materiale og varmestrømmer i det. For denne tilstanden observeres konstanten av trykk, temperatur og kjemisk potensial i hele systemets volum.
likevekts- og ikke-likevektsprosesser
Den termodynamiske prosessen inntar en spesiell plass i systemet med grunnleggende begreper innen kjemisk termodynamikk. Det er definert som endringer i systemets tilstand, som er preget av endringer i en eller flere termodynamiske parametere.
Endringer i systemets tilstand er mulig under forskjellige forhold. I denne forbindelse skilles det mellom likevekts- og ikke-likevektsprosesser. En likevekt (eller kvasi-statisk) prosess betraktes som en serie likevektstilstander i et system. I dette tilfellet endres alle parameterne uendelig sakte. For at en slik prosess skal finne sted, må en rekke vilkår være oppfylt:
- Uendelig liten forskjell i verdiene til handlende og motstridende krefter (indre og ytre press osv.).
- Uendelig lav hastighet på prosessen.
- Maksim alt arbeid.
- En uendelig liten endring i ytre kraft endrer strømningsretningenomvendt prosess.
- Verdiene til arbeidet med direkte og omvendte prosesser er like, og deres veier er de samme.
Prosessen med å endre ikke-likevektstilstanden til systemet til likevekt kalles avslapning, og dens varighet kalles avslapningstid. I kjemisk termodynamikk tas ofte den største verdien av avslapningstiden for enhver prosess. Dette skyldes det faktum at virkelige systemer lett forlater likevektstilstanden med de nye strømmene av energi og/eller materie i systemet og er ikke i likevekt.
Reversible og irreversible prosesser
Reversibel termodynamisk prosess er overgangen til et system fra en av dets tilstander til en annen. Det kan flyte ikke bare i retning fremover, men også i motsatt retning, dessuten gjennom de samme mellomtilstandene, mens det ikke vil være noen endringer i miljøet.
Irreversibel er en prosess der overgangen av systemet fra en tilstand til en annen er umulig, ikke ledsaget av endringer i miljøet.
Irreversible prosesser er:
- varmeoverføring ved begrenset temperaturforskjell;
- ekspansjon av en gass i et vakuum, siden det ikke gjøres noe arbeid under den, og det er umulig å komprimere gassen uten å gjøre det;
- diffusjon, siden gassene etter fjerning lett vil diffundere gjensidig, og omvendt prosess er umulig uten å gjøre arbeid.
Andre typer termodynamiske prosesser
Sirkulær prosess (syklus) er en slik prosess, undersom systemet var preget av en endring i dets egenskaper, og på slutten av det returnerte til sine opprinnelige verdier.
Avhengig av verdiene for temperatur, volum og trykk som karakteriserer prosessen, skilles følgende typer prosesser ut i kjemisk termodynamikk:
- Isotermisk (T=const).
- Isobaric (P=const).
- Isochoric (V=const).
- Adiabatic (Q=const).
The Laws of Chemical Termodynamikk
Før du vurderer hovedpostulatene, er det nødvendig å huske essensen av mengdene som karakteriserer tilstanden til ulike systemer.
Den indre energien U i et system forstås som lageret av dets energi, som består av bevegelsesenergiene og samspillet mellom partikler, det vil si alle typer energi bortsett fra kinetisk energi og dens potensielle posisjonsenergi.. Bestem endringen ∆U.
Entalpi H kalles ofte energien til det utvidede systemet, så vel som dets varmeinnhold. H=U+pV.
Heat Q er en uordnet form for energioverføring. Den interne varmen i systemet anses som positiv (Q > 0) hvis varme absorberes (endoterm prosess). Den er negativ (Q < 0) hvis varme frigjøres (eksoterm prosess).
Work A er en ordnet form for energioverføring. Den regnes som positiv (A>0) hvis den utføres av systemet mot eksterne krefter, og negativ (A<0) hvis den utføres av eksterne krefter på systemet.
Det grunnleggende postulatet er termodynamikkens første lov. Det er mangehans formuleringer, blant hvilke følgende kan skilles: "Overgangen av energi fra en type til en annen skjer i strengt ekvivalente mengder."
Hvis systemet gjør en overgang fra tilstand 1 til tilstand 2, ledsaget av absorpsjon av varme Q, som igjen brukes på å endre den indre energien ∆U og utføre arbeid A, så er dette postulatet matematisk. skrevet av ligningene: Q=∆U +A eller δQ=dU + δA.
Den andre loven for termodynamikk, som den første, er ikke avledet teoretisk, men har status som et postulat. Imidlertid bekreftes dens pålitelighet av konsekvensene av den tilsvarende eksperimentelle observasjoner. I fysisk kjemi er følgende formulering mer vanlig: "For ethvert isolert system som ikke er i en likevektstilstand, øker entropien med tiden, og veksten fortsetter til systemet går inn i en likevektstilstand."
Matematisk har dette postulatet om kjemisk termodynamikk formen: dSisol≧0. Ulikhetstegnet i dette tilfellet indikerer ikke-likevektstilstanden, og "="-tegnet indikerer likevekt.
