Nekatere elemente osnov kemijske termodinamike začnemo obravnavati v srednji šoli. Pri pouku kemije se učenci prvič srečajo s pojmi, kot so reverzibilni in ireverzibilni procesi, kemijsko ravnovesje, toplotni učinek in številni drugi. Iz šolskega tečaja fizike spoznavajo notranjo energijo, delo, potenciale in se seznanijo celo s prvim zakonom termodinamike.
Definicija termodinamike
Študentje univerz in visokih šol kemijskega inženirstva podrobno preučujejo termodinamiko v okviru fizikalne in/ali koloidne kemije. To je eden od temeljnih predmetov, katerega razumevanje vam omogoča izvajanje izračunov, potrebnih za razvoj novih tehnoloških proizvodnih linij in opreme zanje, reševanje težav v obstoječih tehnoloških shemah.
Kemična termodinamika se običajno imenuje ena od vej fizikalne kemije, ki proučuje kemične makrosisteme in z njimi povezane procese, ki temeljijo na splošnih zakonih o pretvorbi toplote, dela in energije drug v drugega.
Temelji na treh postulatih, ki jih pogosto imenujemo principi termodinamike. Nimajomatematične osnove, vendar temeljijo na posploševanju eksperimentalnih podatkov, ki jih je zbralo človeštvo. Iz teh zakonov izhajajo številne posledice, ki so osnova za opis sveta okolice.
Naloge
Glavne naloge kemične termodinamike vključujejo:
- natančna študija, pa tudi razlaga najpomembnejših vzorcev, ki določajo smer kemičnih procesov, njihovo hitrost, pogoje, ki nanje vplivajo (okolje, nečistoče, sevanje itd.);
- izračun energijskega učinka katerega koli kemičnega ali fizikalno-kemičnega procesa;
- odkrivanje pogojev za največji izkoristek reakcijskih produktov;
- določanje meril za ravnotežno stanje različnih termodinamičnih sistemov;
- določanje potrebnih meril za spontani potek določenega fizikalnega in kemičnega procesa.
predmet in predmet
Namen tega oddelka znanosti ni pojasniti narave ali mehanizma katerega koli kemijskega pojava. Zanima jo le energetska plat procesov, ki potekajo. Zato lahko predmet kemijske termodinamike imenujemo energija in zakoni pretvorbe energije med kemičnimi reakcijami, raztapljanjem snovi med izhlapevanjem in kristalizacijo.
Ta znanost omogoča presojo, ali je ta ali ona reakcija sposobna potekati pod določenimi pogoji ravno z energetske strani problema.
Objekti njenega preučevanja se imenujejo toplotne bilance fizikalnih in kemijskih procesov, fazaprehodi in kemična ravnotežja. In samo v makroskopskih sistemih, torej tistih, ki so sestavljeni iz ogromnega števila delcev.
Metode
Termodinamični odsek fizikalne kemije uporablja teoretične (računske) in praktične (eksperimentalne) metode za reševanje svojih glavnih problemov. Prva skupina metod vam omogoča, da kvantitativno povežete različne lastnosti in nekatere od njih izračunate na podlagi eksperimentalnih vrednosti drugih z uporabo načel termodinamike. Zakoni kvantne mehanike pomagajo vzpostaviti načine opisovanja in značilnosti gibanja delcev, povezati količine, ki jih označujejo, s fizikalnimi parametri, določenimi med poskusi.
Raziskovalne metode kemijske termodinamike so razdeljene v dve skupini:
- Termodinamična. Ne upoštevajo narave specifičnih snovi in ne temeljijo na nobenih modelnih idejah o atomski in molekularni zgradbi snovi. Takšne metode običajno imenujemo fenomenološke, torej vzpostavljanje razmerij med opazovanimi količinami.
- Statistični. Temeljijo na strukturi snovi in kvantnih učinkih, omogočajo opis obnašanja sistemov na podlagi analize procesov, ki se dogajajo na ravni atomov in njihovih sestavnih delcev.
Oba pristopa imata svoje prednosti in slabosti.
| Metoda | Dignity | pomanjkljivosti |
| termodinamična | Zaradi velikegasplošnost je precej preprosta in ne zahteva dodatnih informacij, medtem ko rešuje specifične probleme | Ne razkriva mehanizma postopka |
| Statistični | Pomaga razumeti bistvo in mehanizem pojava, saj temelji na idejah o atomih in molekulah | Potrebuje temeljito pripravo in veliko znanja |
Osnovni koncepti kemijske termodinamike
Sistem je vsak materialni makroskopski predmet študija, izoliran od zunanjega okolja, meja pa je lahko tako resnična kot namišljena.
Vrste sistemov:
- zaprto (zaprto) - značilna je konstantnost skupne mase, ni izmenjave snovi z okoljem, vendar je možna izmenjava energije;
- odprto - izmenjuje energijo in snov z okoljem;
- izoliran - ne izmenjuje energije (toplote, delo) ali snovi z zunanjim okoljem, medtem ko ima konstanten volumen;
- adiabatsko izoliran - nima samo izmenjave toplote z okoljem, ampak je lahko povezan z delom.
Koncepti toplotnih, mehanskih in difuzijskih kontaktov se uporabljajo za označevanje načina izmenjave energije in snovi.
Parametri stanja sistema so vse merljive makrokarakteristike stanja sistema. Lahko so:
- intenzivna - neodvisno od mase (temperature, tlaka);
- obsežno (kapacitivno) - sorazmerno z maso snovi (prostornina,toplotna zmogljivost, masa).
Vse te parametre si je kemična termodinamika sposodila iz fizike in kemije, pridobijo pa nekoliko drugačno vsebino, saj se upoštevajo glede na temperaturo. Zahvaljujoč tej vrednosti so različne lastnosti med seboj povezane.
Ravnovesje je stanje sistema, v katerem se nahaja v stalnih zunanjih pogojih in je značilna začasna konstantnost termodinamičnih parametrov, pa tudi odsotnost materialnih in toplotnih tokov v njem. Za to stanje se v celotnem volumnu sistema opazi konstantnost tlaka, temperature in kemičnega potenciala.
Ravnotežni in neravnotežni procesi
Termodinamični proces zavzema posebno mesto v sistemu osnovnih pojmov kemijske termodinamike. Opredeljen je kot spremembe stanja sistema, za katere so značilne spremembe enega ali več termodinamičnih parametrov.
Spremembe stanja sistema so možne pod različnimi pogoji. V zvezi s tem ločimo ravnotežne in neravnovesne procese. Ravnotežni (ali kvazistatični) proces se obravnava kot niz ravnotežnih stanj sistema. V tem primeru se vsi njegovi parametri spreminjajo neskončno počasi. Za izvedbo takega postopka morajo biti izpolnjeni številni pogoji:
- Neskončno majhna razlika v vrednostih delujočih in nasprotnih sil (notranji in zunanji tlak itd.).
- Neskončno počasna hitrost procesa.
- Maksimalno delo.
- Neskončno majhna sprememba zunanje sile spremeni smer tokaobratni postopek.
- Vrednosti dela neposrednih in povratnih procesov so enake in njune poti so enake.
Proces spreminjanja neravnovesnega stanja sistema v ravnotežno se imenuje relaksacija, njegovo trajanje pa relaksacijski čas. V kemični termodinamiki se pogosto vzame največja vrednost relaksacijskega časa za kateri koli proces. To je posledica dejstva, da resnični sistemi zlahka zapustijo stanje ravnotežja z nastajajočimi tokovi energije in/ali snovi v sistemu in so neravnotežni.
reverzibilni in nepovratni procesi
Reverzibilni termodinamični proces je prehod sistema iz enega od njegovih stanj v drugo. Lahko teče ne samo v smeri naprej, ampak tudi v nasprotni smeri, poleg tega skozi ista vmesna stanja, medtem ko v okolju ne bo sprememb.
Nepovraten je proces, pri katerem je prehod sistema iz enega stanja v drugo nemogoč, ne spremljajo ga spremembe v okolju.
Nepovratni procesi so:
- prenos toplote pri končni temperaturni razliki;
- razširitev plina v vakuumu, saj se med tem ne izvaja nobeno delo in je nemogoče stisniti plin, ne da bi to storili;
- difuzija, saj se bodo plini po odstranitvi zlahka medsebojno razpršili, povratni proces pa je nemogoč brez dela.
Druge vrste termodinamičnih procesov
Krožni proces (cikel) je tak proces, medza katerega je za sistem značilna sprememba njegovih lastnosti, na koncu pa se je vrnil na prvotne vrednosti.
Odvisno od vrednosti temperature, prostornine in tlaka, ki označujejo proces, se v kemični termodinamiki razlikujejo naslednje vrste procesov:
- Izotermno (T=konst).
- Izobarična (P=konst).
- Izohorično (V=konst).
- adiabatsko (Q=konst).
Zakoni kemične termodinamike
Pred obravnavanjem glavnih postulatov se je treba spomniti bistva količin, ki označujejo stanje različnih sistemov.
Notranja energija U sistema se razume kot zaloga njegove energije, ki jo sestavljajo energije gibanja in interakcije delcev, torej vse vrste energije razen kinetične energije in njene potencialne energije položaja. Določite njegovo spremembo ∆U.
Entalpija H se pogosto imenuje energija razširjenega sistema, pa tudi njegova vsebnost toplote. H=U+pV.
Heat Q je neurejena oblika prenosa energije. Notranja toplota sistema se šteje za pozitivno (Q > 0), če se toplota absorbira (endotermični proces). Negativna je (Q < 0), če se toplota sprosti (eksotermni proces).
Delo A je urejena oblika prenosa energije. Šteje se za pozitivno (A>0), če jo sistem izvaja proti zunanjim silam, in negativno (A<0), če jo izvajajo zunanje sile na sistemu.
Osnovni postulat je prvi zakon termodinamike. Veliko jih jenjegove formulacije, med katerimi je mogoče razlikovati naslednje: "Prehod energije iz ene vrste v drugo poteka v strogo enakovrednih količinah."
Če sistem opravi prehod iz stanja 1 v stanje 2, ki ga spremlja absorpcija toplote Q, ki se nato porabi za spreminjanje notranje energije ∆U in opravljanje dela A, potem je matematično ta postulat zapisano z enačbami: Q=∆U +A ali δQ=dU + δA.
Drugi zakon termodinamike, tako kot prvi, ni izpeljan teoretično, ampak ima status postulata. Vendar pa njegovo zanesljivost potrjujejo posledice, ki ustrezajo eksperimentalnim opazovanjima. V fizikalni kemiji je bolj pogosta naslednja formulacija: "Za vsak izoliran sistem, ki ni v ravnotežnem stanju, se entropija s časom povečuje in njena rast se nadaljuje, dokler sistem ne vstopi v stanje ravnotežja."
Matematično ima ta postulat kemijske termodinamike obliko: dSisol≧0. Znak neenakosti v tem primeru označuje neravnovesno stanje, znak "=" pa ravnotežje.
