Unele elemente ale elementelor fundamentale ale termodinamicii chimice încep să fie luate în considerare în liceu. La lecțiile de chimie, studenții întâlnesc pentru prima dată concepte precum procese reversibile și ireversibile, echilibru chimic, efect termic și multe altele. De la cursul școlii de fizică, ei învață despre energia internă, muncă, potențiale și chiar se familiarizează cu prima lege a termodinamicii.
Definiția termodinamicii
Studenții universităților și colegiilor de specialități de inginerie chimică studiază termodinamica în detaliu în cadrul chimiei fizice și/sau coloidale. Acesta este unul dintre subiectele fundamentale, a cărui înțelegere vă permite să efectuați calculele necesare dezvoltării de noi linii tehnologice de producție și echipamente pentru acestea, rezolvând problemele din schemele tehnologice existente.
Termodinamica chimică este de obicei numită una dintre ramurile chimiei fizice care studiază macrosistemele chimice și procesele aferente pe baza legilor generale privind transformarea căldurii, muncii și energiei unele în altele.
Se bazează pe trei postulate, care sunt adesea numite principiile termodinamicii. Ei nu aubaza matematică, dar se bazează pe generalizarea datelor experimentale care au fost acumulate de omenire. Din aceste legi derivă numeroase consecințe, care stau la baza descrierii lumii înconjurătoare.
Sarcini
Principalele sarcini ale termodinamicii chimice includ:
- un studiu amănunțit, precum și o explicație a celor mai importante tipare care determină direcția proceselor chimice, viteza acestora, condițiile care le afectează (mediu, impurități, radiații etc.);
- calculul efectului energetic al oricărui proces chimic sau fizico-chimic;
- detecția condițiilor pentru randamentul maxim de produse de reacție;
- determinarea criteriilor pentru starea de echilibru a diferitelor sisteme termodinamice;
- stabilirea criteriilor necesare pentru curgerea spontană a unui anumit proces fizic și chimic.
Obiect și obiect
Această secțiune a științei nu își propune să explice natura sau mecanismul vreunui fenomen chimic. Ea este interesată doar de partea energetică a proceselor în curs. Prin urmare, subiectul termodinamicii chimice poate fi numit energie și legile conversiei energiei în cursul reacțiilor chimice, dizolvarea substanțelor în timpul evaporării și cristalizării.
Această știință face posibil să se judece dacă aceasta sau acea reacție este capabilă să aibă loc în anumite condiții tocmai din partea energetică a problemei.
Obiectele studiului său se numesc balanțe termice ale proceselor fizice și chimice, fazătranziții și echilibre chimice. Și numai în sistemele macroscopice, adică cele care constau dintr-un număr mare de particule.
Metode
Secțiunea termodinamică a chimiei fizice folosește metode teoretice (de calcul) și practice (experimentale) pentru a-și rezolva principalele probleme. Primul grup de metode vă permite să relaționați cantitativ diferite proprietăți și să calculați unele dintre ele pe baza valorilor experimentale ale altora, folosind principiile termodinamicii. Legile mecanicii cuantice ajută la stabilirea modalităților de descriere și a caracteristicilor mișcării particulelor, la conectarea cantităților care le caracterizează cu parametrii fizici determinați în cursul experimentelor.
Metodele de cercetare ale termodinamicii chimice sunt împărțite în două grupe:
- Termodinamică. Ele nu iau în considerare natura unor substanțe specifice și nu se bazează pe nicio idee model despre structura atomică și moleculară a substanțelor. Astfel de metode sunt de obicei numite fenomenologice, adică stabilirea de relații între mărimile observate.
- Statistice. Acestea se bazează pe structura materiei și efectele cuantice, permit descrierea comportamentului sistemelor pe baza analizei proceselor care au loc la nivelul atomilor și al particulelor constitutive ale acestora.
Ambele abordări au avantajele și dezavantajele lor.
| Metoda | Demnitate | Defecte |
| Termodinamică |
Datorită celor marigeneralitatea este destul de simplă și nu necesită informații suplimentare, rezolvând în același timp probleme specifice |
Nu dezvăluie mecanismul procesului |
| Statistice | Ajută la înțelegerea esenței și mecanismului fenomenului, deoarece se bazează pe idei despre atomi și molecule | Necesită pregătire minuțioasă și o cantitate mare de cunoștințe |
Concepte de bază ale termodinamicii chimice
Un sistem este orice obiect macroscopic material de studiu, izolat de mediul extern, iar granița poate fi atât reală, cât și imaginară.
Tipuri de sisteme:
- închis (închis) - caracterizat prin constanța masei totale, nu există schimb de materie cu mediul, cu toate acestea, schimbul de energie este posibil;
- open - schimbă atât energie, cât și materie cu mediul;
- izolat - nu face schimb de energie (caldura, munca) sau materie cu mediul extern, in timp ce are un volum constant;
- adiabatic-izolat - nu are doar schimb de căldură cu mediul, ci poate fi asociat cu munca.
Conceptele de contacte termice, mecanice și de difuzie sunt folosite pentru a indica metoda de schimb de energie și materie.
Parametrii stării sistemului sunt orice macrocaracteristică măsurabilă a stării sistemului. Acestea pot fi:
- intens - independent de masă (temperatura, presiune);
- extensiv (capacitiv) - proporțional cu masa substanței (volum,capacitatea termică, masă).
Toți acești parametri sunt împrumutați de termodinamica chimică din fizică și chimie, dar capătă un conținut ușor diferit, deoarece sunt considerați în funcție de temperatură. Datorită acestei valori, diferitele proprietăți sunt interconectate.
Echilibrul este o stare a unui sistem în care acesta se află în condiții externe constante și se caracterizează printr-o constanță temporară a parametrilor termodinamici, precum și prin absența fluxurilor de material și căldură în acesta. Pentru aceasta stare se observa constanta presiunii, temperaturii si potentialului chimic in intregul volum al sistemului.
Procese de echilibru și de neechilibru
Procesul termodinamic ocupă un loc aparte în sistemul conceptelor de bază ale termodinamicii chimice. Este definită ca modificări ale stării sistemului, care se caracterizează prin modificări ale unuia sau mai multor parametri termodinamici.
Modificări ale stării sistemului sunt posibile în diferite condiții. În acest sens, se face o distincție între procesele de echilibru și cele de neechilibru. Un proces de echilibru (sau cvasi-static) este considerat ca o serie de stări de echilibru ale unui sistem. În acest caz, toți parametrii săi se schimbă infinit lent. Pentru ca un astfel de proces să aibă loc, trebuie îndeplinite o serie de condiții:
- Diferență infinit de mică între valorile forțelor care acționează și cele opuse (presiunea internă și externă etc.).
- Viteză infinit de lentă a procesului.
- Munca maximă.
- O modificare infinitezimală a forței externe schimbă direcția fluxuluiproces invers.
- Valorile muncii proceselor directe și inverse sunt egale, iar traseele lor sunt aceleași.
Procesul de schimbare a stării de neechilibru a sistemului la echilibru se numește relaxare, iar durata acestuia se numește timp de relaxare. În termodinamica chimică se ia adesea cea mai mare valoare a timpului de relaxare pentru orice proces. Acest lucru se datorează faptului că sistemele reale părăsesc cu ușurință starea de echilibru cu fluxurile emergente de energie și/sau materie din sistem și sunt neechilibrate.
Procese reversibile și ireversibile
Procesul termodinamic reversibil este trecerea unui sistem de la una dintre stările sale la alta. Poate curge nu numai în direcția înainte, ci și în direcția opusă, în plus, prin aceleași stări intermediare, în timp ce nu vor exista schimbări în mediu.
Ireversibil este un proces pentru care trecerea sistemului de la o stare la alta este imposibilă, neînsoțită de schimbări în mediu.
Procesele ireversibile sunt:
- transfer de căldură la diferență finită de temperatură;
- expansiunea unui gaz în vid, deoarece nu se lucrează în timpul acestuia și este imposibil să comprimați gazul fără a o face;
- difuzie, deoarece după îndepărtare gazele se vor difuza cu ușurință reciproc, iar procesul invers este imposibil fără a lucra.
Alte tipuri de procese termodinamice
Proces circular (ciclu) este un astfel de proces, în timpulcare sistemul a fost caracterizat printr-o modificare a proprietăților sale și, la sfârșitul acesteia, a revenit la valorile sale originale.
În funcție de valorile temperaturii, volumului și presiunii care caracterizează procesul, în termodinamica chimică se disting următoarele tipuri de proces:
- Izotermă (T=const).
- izobar (P=const).
- izocoric (V=const).
- Adiabatic (Q=const).
Legile termodinamicii chimice
Înainte de a lua în considerare principalele postulate, este necesar să ne amintim esența mărimilor care caracterizează starea diferitelor sisteme.
Energia internă U a unui sistem este înțeleasă ca stocul de energie al acestuia, care constă din energiile de mișcare și interacțiunea particulelor, adică toate tipurile de energie, cu excepția energiei cinetice și a energiei sale potențiale de poziție.. Determinați modificarea ∆U.
Entalpia H este adesea numită energia sistemului expandat, precum și conținutul său de căldură. H=U+pV.
Căldura Q este o formă dezordonată de transfer de energie. Căldura internă a sistemului este considerată pozitivă (Q > 0) dacă căldura este absorbită (proces endotermic). Este negativ (Q < 0) dacă se eliberează căldură (proces exotermic).
Munca A este o formă ordonată de transfer de energie. Este considerat pozitiv (A>0) dacă este efectuat de sistem împotriva forțelor externe și negativ (A<0) dacă este efectuat de forțe externe asupra sistemului.
Postulatul de bază este prima lege a termodinamicii. Există multeformulările sale, dintre care se pot distinge următoarele: „Tranziția energiei de la un tip la altul are loc în cantități strict echivalente.”
Dacă sistemul face o tranziție de la starea 1 la starea 2, însoțită de absorbția de căldură Q, care, la rândul ei, este cheltuită pentru a schimba energia internă ∆U și pentru a face munca A, atunci din punct de vedere matematic acest postulat este scrise prin ecuațiile: Q=∆U +A sau δQ=dU + δA.
A doua lege a termodinamicii, ca și prima, nu este derivată teoretic, ci are statutul de postulat. Cu toate acestea, fiabilitatea sa este confirmată de consecințele sale corespunzătoare observațiilor experimentale. În chimia fizică, următoarea formulare este mai comună: „Pentru orice sistem izolat care nu este într-o stare de echilibru, entropia crește cu timpul și creșterea ei continuă până când sistemul intră într-o stare de echilibru.”
Din punct de vedere matematic, acest postulat al termodinamicii chimice are forma: dSisol≧0. Semnul inegalității în acest caz indică starea de neechilibru, iar semnul „= indică echilibrul.
