Niektóre elementy podstaw termodynamiki chemicznej zaczynają być brane pod uwagę w szkole średniej. Na lekcjach chemii uczniowie po raz pierwszy stykają się z takimi pojęciami jak procesy odwracalne i nieodwracalne, równowaga chemiczna, efekt cieplny i wiele innych. Na szkolnym kursie fizyki uczą się o energii wewnętrznej, pracy, potencjałach, a nawet zapoznają się z pierwszą zasadą termodynamiki.
Definicja termodynamiki
Studenci uniwersytetów i szkół wyższych specjalności inżynierii chemicznej studiują szczegółowo termodynamikę w ramach chemii fizycznej i/lub koloidalnej. Jest to jeden z podstawowych przedmiotów, którego zrozumienie pozwala na wykonywanie obliczeń niezbędnych do rozwoju nowych technologicznych linii produkcyjnych i urządzeń do nich, rozwiązywanie problemów w istniejących schematach technologicznych.
Termodynamika chemiczna jest zwykle nazywana jedną z gałęzi chemii fizycznej, która bada makrosystemy chemiczne i powiązane procesy w oparciu o ogólne prawa dotyczące przemiany ciepła, pracy i energii w siebie nawzajem.
Opiera się na trzech postulatach, które często nazywane są zasadami termodynamiki. Oni nie mająpodstawy matematyczne, ale opierają się na uogólnieniu danych eksperymentalnych, które zostały zgromadzone przez ludzkość. Z praw tych wywodzą się liczne konsekwencje, które stanowią podstawę opisu otaczającego świata.
Zadania
Główne zadania termodynamiki chemicznej obejmują:
- dokładne badanie, a także wyjaśnienie najważniejszych wzorców, które określają kierunek procesów chemicznych, ich szybkość, warunki, które na nie wpływają (środowisko, zanieczyszczenia, promieniowanie itp.);
- obliczanie efektu energetycznego dowolnego procesu chemicznego lub fizykochemicznego;
- wykrywanie warunków maksymalnej wydajności produktów reakcji;
- określanie kryteriów stanu równowagi różnych układów termodynamicznych;
- ustalenie niezbędnych kryteriów dla spontanicznego przepływu określonego procesu fizycznego i chemicznego.
Obiekt i obiekt
Ten dział nauki nie ma na celu wyjaśnienia natury ani mechanizmu jakiegokolwiek zjawiska chemicznego. Interesuje ją tylko energetyczna strona zachodzących procesów. Dlatego temat termodynamiki chemicznej można nazwać energią i prawami przemiany energii w przebiegu reakcji chemicznych, rozpuszczania substancji podczas parowania i krystalizacji.
Ta nauka umożliwia ocenę, czy ta lub inna reakcja może przebiegać w określonych warunkach, właśnie od strony energetycznej problemu.
Przedmioty jej badań to bilanse cieplne procesów fizycznych i chemicznych, fazaprzejścia i równowagi chemiczne. I tylko w układach makroskopowych, czyli takich, które składają się z ogromnej liczby cząstek.
Metody
Termodynamiczny dział chemii fizycznej wykorzystuje metody teoretyczne (obliczenia) i praktyczne (eksperymentalne) do rozwiązywania głównych problemów. Pierwsza grupa metod pozwala na ilościowe powiązanie różnych właściwości i obliczenie niektórych z nich na podstawie eksperymentalnych wartości innych, wykorzystując zasady termodynamiki. Prawa mechaniki kwantowej pomagają ustalić sposoby opisu i cechy ruchu cząstek, powiązać charakteryzujące je wielkości z parametrami fizycznymi wyznaczonymi w trakcie eksperymentów.
Metody badawcze termodynamiki chemicznej dzielą się na dwie grupy:
- Termodynamiczny. Nie uwzględniają charakteru konkretnych substancji i nie opierają się na żadnych modelowych wyobrażeniach o budowie atomowej i molekularnej substancji. Takie metody są zwykle nazywane fenomenologicznymi, czyli ustalaniem zależności między obserwowanymi wielkościami.
- Statystyczne. Oparte na strukturze materii i efektach kwantowych, pozwalają opisać zachowanie układów w oparciu o analizę procesów zachodzących na poziomie atomów i ich cząstek składowych.
Oba te podejścia mają swoje zalety i wady.
| Metoda | Godność | Wady |
| Termodynamiczny | Ze względu na dużeogólność jest dość prosta i nie wymaga dodatkowych informacji przy rozwiązywaniu konkretnych problemów | Nie ujawnia mechanizmu procesu |
| Statystyczne | Pomaga zrozumieć istotę i mechanizm zjawiska, ponieważ opiera się na ideach dotyczących atomów i molekuł | Wymaga dokładnego przygotowania i dużej ilości wiedzy |
Podstawowe pojęcia termodynamiki chemicznej
System jest dowolnym materialnym makroskopowym obiektem badań, odizolowanym od środowiska zewnętrznego, a granica może być zarówno rzeczywista, jak i urojona.
Rodzaje systemów:
- zamknięty (zamknięty) - charakteryzuje się niezmiennością masy całkowitej, nie ma wymiany materii z otoczeniem, natomiast wymiana energii jest możliwa;
- open - wymiana energii i materii z otoczeniem;
- izolowany - nie wymienia energii (ciepła, pracy) ani materii ze środowiskiem zewnętrznym, podczas gdy ma stałą objętość;
- izolacja adiabatyczna - nie tylko zapewnia wymianę ciepła z otoczeniem, ale może być kojarzona z pracą.
Pojęcia kontaktów termicznych, mechanicznych i dyfuzyjnych służą do wskazania metody wymiany energii i materii.
Parametry stanu systemu to wszelkie mierzalne makrocharakterystyki stanu systemu. Mogą to być:
- intensywne - niezależne od masy (temperatury, ciśnienia);
- extensive (pojemnościowy) - proporcjonalny do masy substancji (objętość,pojemność cieplna, masa).
Wszystkie te parametry są zapożyczone przez termodynamikę chemiczną z fizyki i chemii, ale uzyskują nieco inną zawartość, ponieważ są rozważane w zależności od temperatury. To dzięki tej wartości różne właściwości są ze sobą powiązane.
Równowaga to stan układu, w którym znajduje się on w stałych warunkach zewnętrznych i charakteryzuje się chwilową stałością parametrów termodynamicznych oraz brakiem przepływu w nim materiału i ciepła. W tym stanie obserwuje się stałość ciśnienia, temperatury i potencjału chemicznego w całej objętości układu.
Procesy równowagowe i nierównowagowe
Proces termodynamiczny zajmuje szczególne miejsce w systemie podstawowych pojęć termodynamiki chemicznej. Definiuje się ją jako zmiany stanu układu, które charakteryzują się zmianami jednego lub większej liczby parametrów termodynamicznych.
Zmiany stanu systemu są możliwe w różnych warunkach. W związku z tym rozróżnia się procesy równowagowe i nierównowagowe. Proces równowagi (lub quasi-statyczny) jest uważany za szereg stanów równowagi układu. W tym przypadku wszystkie jego parametry zmieniają się nieskończenie powoli. Aby taki proces mógł mieć miejsce, musi być spełniony szereg warunków:
- Nieskończenie mała różnica wartości sił działających i przeciwstawnych (ciśnienie wewnętrzne i zewnętrzne itp.).
- Nieskończenie niska prędkość procesu.
- Maksymalna praca.
- Nieskończenie mała zmiana siły zewnętrznej zmienia kierunek przepływuproces odwrotny.
- Wartości pracy procesów bezpośrednich i odwrotnych są równe, a ich ścieżki są takie same.
Proces zmiany stanu nierównowagi układu w stan równowagi nazywa się relaksacją, a czas jego trwania nazywany jest czasem relaksacji. W termodynamice chemicznej często przyjmuje się największą wartość czasu relaksacji dla dowolnego procesu. Wynika to z faktu, że rzeczywiste układy łatwo opuszczają stan równowagi z pojawiającymi się przepływami energii i/lub materii w układzie i nie są w stanie równowagi.
Procesy odwracalne i nieodwracalne
Odwracalny proces termodynamiczny to przejście układu z jednego ze stanów do drugiego. Może płynąć nie tylko w kierunku do przodu, ale także w kierunku przeciwnym, ponadto przez te same stany pośrednie, podczas gdy nie będzie zmian w otoczeniu.
Nieodwracalne to proces, dla którego przejście systemu z jednego stanu do drugiego jest niemożliwe, bez towarzyszących zmian w otoczeniu.
Nieodwracalne procesy to:
- przenoszenie ciepła przy skończonej różnicy temperatur;
- rozprężanie gazu w próżni, ponieważ podczas tego procesu nie jest wykonywana żadna praca i niemożliwe jest sprężanie gazu bez tego;
- dyfuzja, ponieważ po usunięciu gazy łatwo się wzajemnie dyfundują, a proces odwrotny jest niemożliwy bez wykonywania pracy.
Inne rodzaje procesów termodynamicznych
Proces okrężny (cykl) to taki proces, podczasktórego system charakteryzował się zmianą swoich właściwości, a na końcu powrócił do swoich pierwotnych wartości.
W zależności od wartości temperatury, objętości i ciśnienia charakteryzujących proces, w termodynamice chemicznej wyróżnia się następujące typy procesów:
- Izotermiczny (T=const).
- Izobaryczny (P=const).
- Izochoryczny (V=const).
- Adiabatyczny (Q=const).
Prawa termodynamiki chemicznej
Przed rozważeniem głównych postulatów należy pamiętać o istocie wielkości charakteryzujących stan różnych układów.
Energia wewnętrzna U układu jest rozumiana jako zapas jego energii, na który składają się energie ruchu i oddziaływania cząstek, czyli wszystkie rodzaje energii z wyjątkiem energii kinetycznej i jej potencjalnej energii położenia. Określ jego zmianę ∆U.
Entalpia H jest często nazywana energią rozszerzonego systemu, jak również jego zawartością ciepła. H=U+pV.
Ciepło Q to nieuporządkowana forma przekazywania energii. Ciepło wewnętrzne układu jest uważane za dodatnie (Q > 0), jeśli ciepło jest pochłaniane (proces endotermiczny). Jest ujemny (Q < 0), jeśli uwalniane jest ciepło (proces egzotermiczny).
Praca A to uporządkowana forma przekazywania energii. Jest uważany za pozytywny (A>0), jeśli jest wykonywany przez system przeciwko siłom zewnętrznym, i ujemny (A<0), jeśli jest wykonywany przez siły zewnętrzne działające na system.
Podstawowym postulatem jest pierwsza zasada termodynamiki. Jest wielejego sformułowania, wśród których można wyróżnić następujące: „Przejście energii z jednego typu do drugiego następuje w ściśle równoważnych ilościach”.
Jeżeli układ przechodzi ze stanu 1 do stanu 2, czemu towarzyszy pochłanianie ciepła Q, które z kolei jest zużywane na zmianę energii wewnętrznej ∆U i wykonanie pracy A, to matematycznie ten postulat jest zapisane równaniami: Q=∆U +A lub δQ=dU + δA.
Druga zasada termodynamiki, podobnie jak pierwsza, nie jest wyprowadzona teoretycznie, ale ma status postulatu. Jednak jego wiarygodność potwierdzają konsekwencje wynikające z obserwacji eksperymentalnych. W chemii fizycznej bardziej powszechne jest następujące sformułowanie: „Dla każdego izolowanego układu, który nie jest w stanie równowagi, entropia wzrasta z czasem, a jej wzrost trwa, aż układ wejdzie w stan równowagi”.
Matematycznie ten postulat termodynamiki chemicznej ma postać: dSizola≧0. Znak nierówności w tym przypadku oznacza stan nierównowagi, a znak „=” oznacza stan równowagi.
