Nogle elementer af det grundlæggende i kemisk termodynamik begynder at blive overvejet i gymnasiet. I kemitimer støder eleverne for første gang på begreber som reversible og irreversible processer, kemisk ligevægt, termisk effekt og mange andre. Fra skolens fysikkursus lærer de om indre energi, arbejde, potentialer og stifter endda bekendtskab med termodynamikkens første lov.
Definition af termodynamik
Studenter fra universiteter og gymnasier for kemiingeniørspecialiteter studerer termodynamik i detaljer inden for rammerne af fysisk og/eller kolloid kemi. Dette er et af de grundlæggende emner, hvis forståelse giver dig mulighed for at udføre de beregninger, der er nødvendige for udviklingen af nye teknologiske produktionslinjer og udstyr til dem, og løse problemer i eksisterende teknologiske ordninger.
Kemisk termodynamik kaldes norm alt en af de grene af fysisk kemi, der studerer kemiske makrosystemer og relaterede processer baseret på de generelle love om omdannelse af varme, arbejde og energi til hinanden.
Den er baseret på tre postulater, som ofte kaldes termodynamikkens principper. De har ikkematematisk grundlag, men er baseret på generalisering af eksperimentelle data, der er blevet akkumuleret af menneskeheden. Adskillige konsekvenser er afledt af disse love, som danner grundlaget for beskrivelsen af den omgivende verden.
Opgaver
Kemisk termodynamiks hovedopgaver omfatter:
- en grundig undersøgelse, samt en forklaring af de vigtigste mønstre, der bestemmer retningen af kemiske processer, deres hastighed, de forhold, der påvirker dem (miljø, urenheder, stråling osv.);
- beregning af energieffekten af enhver kemisk eller fysisk-kemisk proces;
- påvisning af betingelser for det maksimale udbytte af reaktionsprodukter;
- bestemmelse af kriterier for ligevægtstilstanden for forskellige termodynamiske systemer;
- etablering af de nødvendige kriterier for det spontane flow af en bestemt fysisk og kemisk proces.
Objekt og objekt
Denne del af videnskaben har ikke til formål at forklare arten eller mekanismen af noget kemisk fænomen. Hun er kun interesseret i energisiden af de igangværende processer. Derfor kan emnet kemisk termodynamik kaldes energi og lovene for energiomdannelse i løbet af kemiske reaktioner, opløsning af stoffer under fordampning og krystallisation.
Denne videnskab gør det muligt at bedømme, om denne eller hin reaktion er i stand til at forløbe under visse betingelser, netop ud fra spørgsmålets energiside.
Objektet med dens undersøgelse kaldes varmebalancer af fysiske og kemiske processer, faseovergange og kemiske ligevægte. Og kun i makroskopiske systemer, det vil sige dem, der består af et stort antal partikler.
Metodes
Termodynamisk sektion af fysisk kemi bruger teoretiske (beregning) og praktiske (eksperimentelle) metoder til at løse sine hovedproblemer. Den første gruppe af metoder giver dig mulighed for kvantitativt at relatere forskellige egenskaber og beregne nogle af dem baseret på andres eksperimentelle værdier ved hjælp af termodynamikkens principper. Kvantemekanikkens love hjælper med at etablere måder at beskrive og kendetegn ved partiklers bevægelse på, at forbinde de mængder, der karakteriserer dem med de fysiske parametre, der er bestemt i løbet af eksperimenter.
Kemisk termodynamiks forskningsmetoder er opdelt i to grupper:
- Termodynamisk. De tager ikke hensyn til arten af specifikke stoffer og er ikke baseret på nogen modelideer om stoffers atomare og molekylære struktur. Sådanne metoder kaldes sædvanligvis fænomenologiske, det vil sige at etablere sammenhænge mellem observerede mængder.
- Statistisk. De er baseret på strukturen af stof og kvanteeffekter, gør det muligt at beskrive opførsel af systemer baseret på analyse af processer, der forekommer på niveau med atomer og deres bestanddele.
Begge disse tilgange har deres fordele og ulemper.
| Metode | Dignity | Flaws |
| Thermodynamic | På grund af det storealmenheden er ret enkel og kræver ikke yderligere information, mens den løser specifikke problemer | Afslører ikke procesmekanismen |
| Statistical | Hjælper til at forstå essensen og mekanismen af fænomenet, da det er baseret på ideer om atomer og molekyler | Kræver grundig forberedelse og en stor mængde viden |
Grundlæggende begreber for kemisk termodynamik
Et system er et hvilket som helst materielt makroskopisk studieobjekt, isoleret fra det ydre miljø, og grænsen kan være både reel og imaginær.
Systemtyper:
- lukket (lukket) - karakteriseret ved konstantheden af den samlede masse, der er ingen udveksling af stof med miljøet, men energiudveksling er mulig;
- åben - udveksler både energi og stof med miljøet;
- isoleret - udveksler ikke energi (varme, arbejde) eller stof med det ydre miljø, mens det har et konstant volumen;
- adiabatisk-isoleret - har ikke kun varmeudveksling med miljøet, men kan forbindes med arbejde.
Begreberne termiske, mekaniske og diffusionskontakter bruges til at angive metoden til energi- og stofudveksling.
Systemtilstandsparametre er alle målbare makrokarakteristika for systemtilstanden. De kan være:
- intense - uafhængig af masse (temperatur, tryk);
- extensive (kapacitiv) - proportional med stoffets masse (volumen,varmekapacitet, masse).
Alle disse parametre er lånt af kemisk termodynamik fra fysik og kemi, men får et lidt anderledes indhold, da de betragtes som afhængige af temperatur. Det er takket være denne værdi, at de forskellige ejendomme er forbundet.
Ligevægt er en tilstand af et system, hvor det kommer under konstante ydre forhold og er karakteriseret ved en midlertidig konstanthed af termodynamiske parametre, såvel som fraværet af materiale og varmestrømme i det. For denne tilstand observeres konstanten af tryk, temperatur og kemisk potentiale i hele systemets volumen.
ligevægts- og ikke-ligevægtsprocesser
Den termodynamiske proces indtager en særlig plads i systemet af grundlæggende begreber inden for kemisk termodynamik. Det er defineret som ændringer i systemets tilstand, som er karakteriseret ved ændringer i en eller flere termodynamiske parametre.
Ændringer i systemets tilstand er mulige under forskellige forhold. I denne forbindelse skelnes der mellem ligevægts- og ikke-ligevægtsprocesser. En ligevægts (eller kvasistatisk) proces betragtes som en række ligevægtstilstande i et system. I dette tilfælde ændres alle dens parametre uendeligt langsomt. For at en sådan proces kan finde sted, skal en række betingelser være opfyldt:
- Uendelig lille forskel i værdierne for handlende og modstående kræfter (indre og ydre pres osv.).
- Uendelig langsom hastighed af processen.
- Maksim alt arbejde.
- En uendelig lille ændring i ydre kraft ændrer strømmens retningomvendt proces.
- Værdierne for arbejdet med direkte og omvendte processer er ens, og deres veje er de samme.
Processen med at ændre systemets ikke-ligevægtstilstand til ligevægt kaldes afslapning, og dens varighed kaldes afslapningstid. I kemisk termodynamik tages ofte den største værdi af afslapningstiden for enhver proces. Dette skyldes det faktum, at virkelige systemer nemt forlader ligevægtstilstanden med de opståede strømme af energi og/eller stof i systemet og er ikke-ligevægte.
Reversible og irreversible processer
Reversibel termodynamisk proces er overgangen af et system fra en af dets tilstande til en anden. Det kan strømme ikke kun i fremadgående retning, men også i den modsatte retning, desuden gennem de samme mellemtilstande, mens der ikke vil være nogen ændringer i miljøet.
Irreversibel er en proces, hvor overgangen af systemet fra en tilstand til en anden er umulig, ikke ledsaget af ændringer i miljøet.
Irreversible processer er:
- varmeoverførsel ved begrænset temperaturforskel;
- ekspansion af en gas i et vakuum, da der ikke arbejdes under den, og det er umuligt at komprimere gassen uden at gøre det;
- diffusion, da gasserne efter fjernelse let vil diffundere indbyrdes, og den omvendte proces er umulig uden arbejde.
Andre typer termodynamiske processer
Cirkulær proces (cyklus) er sådan en proces, undersom systemet var karakteriseret ved en ændring i dets egenskaber, og i slutningen af det vendte tilbage til dets oprindelige værdier.
Afhængig af værdierne for temperatur, volumen og tryk, der kendetegner processen, skelnes følgende processer i kemisk termodynamik:
- Isotermisk (T=konstant).
- Isobarisk (P=const).
- Isochoric (V=const).
- Adiabatisk (Q=const).
Kemisk termodynamiks love
Før man overvejer de vigtigste postulater, er det nødvendigt at huske essensen af de mængder, der karakteriserer tilstanden af forskellige systemer.
Den indre energi U i et system forstås som bestanden af dets energi, som består af bevægelsesenergierne og partiklernes interaktion, det vil sige alle typer energi undtagen kinetisk energi og dets potentielle positionsenergi.. Bestem dens ændring ∆U.
Entalpi H kaldes ofte energien i det udvidede system, såvel som dets varmeindhold. H=U+pV.
Heat Q er en uordnet form for energioverførsel. Systemets indre varme betragtes som positiv (Q > 0), hvis varme absorberes (endoterm proces). Den er negativ (Q < 0), hvis der frigives varme (exoterm proces).
Work A er en ordnet form for energioverførsel. Den betragtes som positiv (A>0), hvis den udføres af systemet mod eksterne kræfter, og negativ (A<0), hvis den udføres af eksterne kræfter på systemet.
Det grundlæggende postulat er termodynamikkens første lov. Der er mangehans formuleringer, blandt hvilke følgende kan skelnes: "Overgangen af energi fra en type til en anden sker i strengt ækvivalente mængder."
Hvis systemet laver en overgang fra tilstand 1 til tilstand 2, ledsaget af absorption af varme Q, som igen bruges på at ændre den indre energi ∆U og udføre arbejde A, så er dette postulat matematisk set. skrevet af ligningerne: Q=∆U +A eller δQ=dU + δA.
Den anden lov for termodynamikken, ligesom den første, er ikke afledt teoretisk, men har status som et postulat. Imidlertid bekræftes dens pålidelighed af konsekvenserne af den svarende til eksperimentelle observationer. I fysisk kemi er følgende formulering mere almindelig: "For ethvert isoleret system, der ikke er i en tilstand af ligevægt, stiger entropien med tiden, og dens vækst fortsætter, indtil systemet går ind i en tilstand af ligevægt."
Matematisk har dette postulat om kemisk termodynamik formen: dSisol≧0. Ulighedstegnet i dette tilfælde angiver ikke-ligevægtstilstanden, og "="-tegnet angiver ligevægt.
