Sommige elemente van die grondbeginsels van chemiese termodinamika begin in hoërskool oorweeg word. In chemie-lesse kom studente vir die eerste keer sulke konsepte teë soos omkeerbare en onomkeerbare prosesse, chemiese ewewig, termiese effek en vele ander. Uit die skoolfisikakursus leer hulle van interne energie, werk, potensiaal, en maak selfs kennis met die eerste wet van termodinamika.
Definisie van termodinamika
Studente van universiteite en kolleges van chemiese ingenieurspesialiteite bestudeer termodinamika in detail binne die raamwerk van fisiese en/of kolloïdale chemie. Dit is een van die fundamentele vakke, waarvan die begrip jou in staat stel om die berekeninge uit te voer wat nodig is vir die ontwikkeling van nuwe tegnologiese produksielyne en toerusting daarvoor, om probleme in bestaande tegnologiese skemas op te los.
Chemiese termodinamika word gewoonlik een van die vertakkings van fisiese chemie genoem wat chemiese makrosisteme en verwante prosesse bestudeer gebaseer op die algemene wette oor die transformasie van hitte, werk en energie in mekaar.
Dit is gebaseer op drie postulate, wat dikwels die beginsels van termodinamika genoem word. Hulle het niewiskundige basis, maar is gebaseer op die veralgemening van eksperimentele data wat deur die mensdom opgehoop is. Talle gevolge word uit hierdie wette afgelei, wat die basis vorm van die beskrywing van die omringende wêreld.
Tasks
Die hooftake van chemiese termodinamika sluit in:
- 'n deeglike studie, sowel as 'n verduideliking van die belangrikste patrone wat die rigting van chemiese prosesse, hul spoed, die toestande wat dit beïnvloed (omgewing, onsuiwerhede, bestraling, ens.) bepaal;
- berekening van die energie-effek van enige chemiese of fisies-chemiese proses;
- bespeuring van toestande vir die maksimum opbrengs van reaksieprodukte;
- bepaling van kriteria vir die ewewigstoestand van verskeie termodinamiese stelsels;
- vestiging van die nodige kriteria vir die spontane vloei van 'n bepaalde fisiese en chemiese proses.
Voorwerp en voorwerp
Hierdie afdeling van die wetenskap het nie ten doel om die aard of meganisme van enige chemiese verskynsel te verduidelik nie. Sy stel net belang in die energiekant van die deurlopende prosesse. Daarom kan die onderwerp van chemiese termodinamika genoem word energie en die wette van energie-omsetting in die loop van chemiese reaksies, die ontbinding van stowwe tydens verdamping en kristallisasie.
Hierdie wetenskap maak dit moontlik om te oordeel of hierdie of daardie reaksie in staat is om onder sekere toestande voort te gaan, juis vanuit die energiekant van die saak.
Die voorwerpe van die studie word hittebalanse van fisiese en chemiese prosesse genoem, faseoorgange en chemiese ewewigte. En net in makroskopiese stelsels, dit wil sê dié wat uit 'n groot aantal deeltjies bestaan.
Metodes
Termodinamiese afdeling van fisiese chemie gebruik teoretiese (berekening) en praktiese (eksperimentele) metodes om sy hoofprobleme op te los. Die eerste groep metodes laat jou toe om verskillende eienskappe kwantitatief met mekaar te verbind, en sommige daarvan te bereken op grond van die eksperimentele waardes van ander, met behulp van die beginsels van termodinamika. Die wette van kwantummeganika help om die maniere om en kenmerke van die beweging van deeltjies te beskryf vas te stel, om die hoeveelhede wat hulle kenmerk te verbind met die fisiese parameters wat in die loop van eksperimente bepaal is.
Navorsingsmetodes van chemiese termodinamika word in twee groepe verdeel:
- Termodinamika. Hulle neem nie die aard van spesifieke stowwe in ag nie en is nie gebaseer op enige modelidees oor die atoom- en molekulêre struktuur van stowwe nie. Sulke metodes word gewoonlik fenomenologies genoem, dit wil sê om verwantskappe tussen waargenome hoeveelhede vas te stel.
- Statisties. Hulle is gebaseer op die struktuur van materie en kwantum-effekte, laat toe om die gedrag van sisteme te beskryf gebaseer op die ontleding van prosesse wat op die vlak van atome en hul samestellende deeltjies plaasvind.
Albei hierdie benaderings het hul voordele en nadele.
| Metode | Dignity | Flaws |
| Termodinamies |
As gevolg van die grootalgemeenheid is redelik eenvoudig en vereis nie bykomende inligting nie, terwyl spesifieke probleme opgelos word |
Vertoon nie die prosesmeganisme nie |
| Statistical | Help om die essensie en meganisme van die verskynsel te verstaan, aangesien dit gebaseer is op idees oor atome en molekules | Vereis deeglike voorbereiding en 'n groot hoeveelheid kennis |
Basiese konsepte van chemiese termodinamika
'n Stelsel is enige wesenlike makroskopiese voorwerp van studie, geïsoleer van die eksterne omgewing, en die grens kan beide werklik en denkbeeldig wees.
Tipe stelsels:
- geslote (geslote) - gekenmerk deur die konstantheid van die totale massa, daar is geen uitruiling van materie met die omgewing nie, maar energie-uitruiling is moontlik;
- oop - ruil beide energie en materie uit met die omgewing;
- geïsoleer - ruil nie energie (hitte, werk) of materie uit met die eksterne omgewing nie, terwyl dit 'n konstante volume het;
- adiabaties-geïsoleer - het nie net hitte-uitruiling met die omgewing nie, maar kan met werk geassosieer word.
Die konsepte van termiese, meganiese en diffusiekontakte word gebruik om die metode van energie- en materie-uitruiling aan te dui.
Stelseltoestandparameters is enige meetbare makrokenmerke van die stelseltoestand. Hulle kan wees:
- intense - onafhanklik van massa (temperatuur, druk);
- extensief (kapasitief) - eweredig aan die massa van die stof (volume,hittekapasiteit, massa).
Al hierdie parameters word deur chemiese termodinamika uit fisika en chemie geleen, maar kry 'n effens ander inhoud, aangesien dit na gelang van temperatuur beskou word. Dit is te danke aan hierdie waarde dat die verskillende eiendomme met mekaar verbind is.
Ewewig is 'n toestand van 'n sisteem waarin dit onder konstante eksterne toestande kom en word gekenmerk deur 'n tydelike konstantheid van termodinamiese parameters, sowel as die afwesigheid van materiaal en hittevloei daarin. Vir hierdie toestand word die konstantheid van druk, temperatuur en chemiese potensiaal in die hele volume van die sisteem waargeneem.
Ewewig en nie-ewewig prosesse
Die termodinamiese proses neem 'n spesiale plek in die sisteem van basiese konsepte van chemiese termodinamika in. Dit word gedefinieer as veranderinge in die toestand van die stelsel, wat gekenmerk word deur veranderinge in een of meer termodinamiese parameters.
Veranderinge in die toestand van die stelsel is moontlik onder verskillende toestande. In hierdie verband word 'n onderskeid getref tussen ewewig- en nie-ewewigsprosesse. 'n Ekwilibrium (of kwasi-statiese) proses word beskou as 'n reeks ewewigtoestande van 'n sisteem. In hierdie geval verander al sy parameters oneindig stadig. Vir so 'n proses om plaas te vind, moet 'n aantal voorwaardes nagekom word:
- Oneindig klein verskil in die waardes van werkende en opponerende kragte (interne en eksterne druk, ens.).
- Oneindig stadige spoed van die proses.
- Maksimum werk.
- 'n Oneindige verandering in eksterne krag verander die rigting van die vloeiomgekeerde proses.
- Die waardes van die werk van direkte en omgekeerde prosesse is gelyk, en hulle paaie is dieselfde.
Die proses om die nie-ewewigtoestand van die sisteem na ewewig te verander, word ontspanning genoem, en die duur daarvan word ontspanningstyd genoem. In chemiese termodinamika word die grootste waarde van die ontspanningstyd vir enige proses dikwels geneem. Dit is te wyte aan die feit dat werklike sisteme maklik die toestand van ewewig verlaat met die opkomende vloeie van energie en/of materie in die sisteem en nie-ewewig is.
Omkeerbare en onomkeerbare prosesse
Omkeerbare termodinamiese proses is die oorgang van 'n stelsel van een van sy toestande na 'n ander. Dit kan nie net in die voorwaartse rigting vloei nie, maar ook in die teenoorgestelde rigting, bowendien, deur dieselfde tussentoestande, terwyl daar geen veranderinge in die omgewing sal wees nie.
Onomkeerbaar is 'n proses waarvoor die oorgang van die stelsel van een toestand na 'n ander onmoontlik is, nie gepaardgaande met veranderinge in die omgewing nie.
Onomkeerbare prosesse is:
- hitte-oordrag by eindige temperatuurverskil;
- uitbreiding van 'n gas in 'n vakuum, aangesien geen werk gedurende dit gedoen word nie, en dit onmoontlik is om die gas saam te druk sonder om dit te doen;
- diffusie, aangesien die gasse na verwydering maklik onderling sal diffundeer, en die omgekeerde proses is onmoontlik sonder om werk te doen.
Ander tipes termodinamiese prosesse
Sirkulêre proses (siklus) is so 'n proses, tydenswat die stelsel gekenmerk is deur 'n verandering in sy eienskappe, en aan die einde daarvan teruggekeer het na sy oorspronklike waardes.
Afhangende van die waardes van temperatuur, volume en druk wat die proses kenmerk, word die volgende tipes proses in chemiese termodinamika onderskei:
- Isotermies (T=konstant).
- Isobaars (P=konstant).
- Isochories (V=konst).
- Adiabatic (Q=const).
Die wette van chemiese termodinamika
Voordat die hoofpostulate oorweeg word, is dit nodig om die essensie van die hoeveelhede te onthou wat die toestand van verskeie stelsels kenmerk.
Die interne energie U van 'n sisteem word verstaan as die voorraad van sy energie, wat bestaan uit die energie van beweging en interaksie van deeltjies, dit wil sê, alle tipes energie behalwe vir kinetiese energie en sy potensiële energie van posisie. Bepaal sy verandering ∆U.
Entalpie H word dikwels die energie van die uitgebreide stelsel genoem, sowel as die hitte-inhoud daarvan. H=U+pV.
Heat Q is 'n wanordelike vorm van energie-oordrag. Die interne hitte van die stelsel word as positief beskou (Q > 0) as hitte geabsorbeer word (endotermiese proses). Dit is negatief (Q < 0) as hitte vrygestel word (eksotermiese proses).
Werk A is 'n geordende vorm van energie-oordrag. Dit word as positief (A>0) beskou as dit deur die sisteem teen eksterne kragte uitgevoer word, en negatief (A<0) as dit deur eksterne kragte op die stelsel uitgevoer word.
Die basiese postulaat is die eerste wet van termodinamika. Daar is baiesy formulerings, waaronder die volgende onderskei kan word: "Die oorgang van energie van een tipe na 'n ander geskied in streng ekwivalente hoeveelhede."
As die stelsel 'n oorgang maak van toestand 1 na toestand 2, gepaardgaande met die absorpsie van hitte Q, wat op sy beurt bestee word aan die verandering van die interne energie ∆U en werk A doen, dan is hierdie postulaat wiskundig geskryf deur die vergelykings: Q=∆U +A of δQ=dU + δA.
Die tweede wet van termodinamika, soos die eerste een, is nie teoreties afgelei nie, maar het die status van 'n postulaat. Die betroubaarheid daarvan word egter bevestig deur die gevolge daarvan wat ooreenstem met eksperimentele waarnemings. In fisiese chemie is die volgende formulering meer algemeen: "Vir enige geïsoleerde sisteem wat nie in 'n toestand van ewewig is nie, neem die entropie toe met tyd, en sy groei gaan voort totdat die stelsel 'n toestand van ewewig binnegaan."
Wiskundig het hierdie postulaat van chemiese termodinamika die vorm: dSisol≧0. Die ongelykheidsteken in hierdie geval dui die nie-ewewigstoestand aan, en die "="-teken dui ewewig aan.
