Joitakin kemiallisen termodynamiikan perusteita aletaan huomioida lukiossa. Kemian tunneilla opiskelijat törmäävät ensimmäistä kertaa sellaisiin käsitteisiin kuin palautuvat ja irreversiibelit prosessit, kemiallinen tasapaino, lämpövaikutus ja monet muut. Koulun fysiikan kurssilla he oppivat sisäisestä energiasta, työstä, potentiaalista ja jopa tutustuvat termodynamiikan ensimmäiseen lakiin.
Termodynamiikan määritelmä
Yliopistojen ja kemiantekniikan erikoisoppilaitosten opiskelijat opiskelevat termodynamiikkaa yksityiskohtaisesti fysikaalisen ja/tai kolloidisen kemian puitteissa. Tämä on yksi perusaineista, jonka ymmärtäminen antaa sinun suorittaa laskelmia, joita tarvitaan uusien teknisten tuotantolinjojen ja niille tarkoitettujen laitteiden kehittämiseen, ratkaisemaan olemassa olevien teknisten suunnitelmien ongelmia.
Kemiallista termodynamiikkaa kutsutaan yleensä yhdeksi fysikaalisen kemian haaroista, joka tutkii kemiallisia makrosysteemejä ja niihin liittyviä prosesseja lämmön, työn ja energian toisiksi muuttumisen yleisiin lakeihin perustuen.
Se perustuu kolmeen postulaattiin, joita usein kutsutaan termodynamiikan periaatteiksi. Heillä ei olematemaattiselta pohj alta, vaan ne perustuvat ihmiskunnan keräämien kokeellisten tietojen yleistykseen. Näistä laeista on johdettu lukuisia seurauksia, jotka muodostavat perustan ympäröivän maailman kuvaukselle.
Tehtävät
Kemiallisen termodynamiikan päätehtäviä ovat:
- perusteellinen tutkimus sekä selitys tärkeimmistä kuvioista, jotka määräävät kemiallisten prosessien suunnan, nopeuden, niihin vaikuttavat olosuhteet (ympäristö, epäpuhtaudet, säteily jne.);
- minkä tahansa kemiallisen tai fysikaalis-kemiallisen prosessin energiavaikutuksen laskeminen;
- reaktiotuotteiden enimmäissaannon olosuhteiden havaitseminen;
- erilaisten termodynaamisten järjestelmien tasapainotilan kriteerien määrittäminen;
- tarvittavien kriteerien määrittäminen tietyn fysikaalisen ja kemiallisen prosessin spontaanille kululle.
Objekti ja esine
Tämän tieteen osan tarkoituksena ei ole selittää minkään kemiallisen ilmiön luonnetta tai mekanismia. Häntä kiinnostaa vain meneillään olevien prosessien energiapuoli. Siksi kemiallisen termodynamiikan aihetta voidaan kutsua energiaksi ja energian muuntumisen lakeiksi kemiallisten reaktioiden, aineiden liukenemisen haihtumisen ja kiteytymisen aikana.
Tämän tieteen avulla on mahdollista arvioida, pystyykö tämä tai toinen reaktio etenemään tietyissä olosuhteissa juuri asian energiapuolelta.
Sen tutkimuksen kohteita kutsutaan fysikaalisten ja kemiallisten prosessien lämpötaseiksi, faasiksisiirtymät ja kemialliset tasapainot. Ja vain makroskooppisissa järjestelmissä, eli sellaisissa, jotka koostuvat v altavasta määrästä hiukkasia.
Menetelmät
Fysikaalisen kemian termodynaaminen osa käyttää teoreettisia (laskenta) ja käytännön (kokeellisia) menetelmiä pääongelmien ratkaisemiseen. Ensimmäisen menetelmäryhmän avulla voit suhteuttaa erilaisia ominaisuuksia kvantitatiivisesti ja laskea jotkin niistä muiden kokeellisten arvojen perusteella termodynamiikan periaatteiden avulla. Kvanttimekaniikan lait auttavat määrittämään hiukkasten liikkeen kuvaustapoja ja piirteitä, yhdistämään niitä kuvaavat suureet kokeiden aikana määritettyihin fysikaalisiin parametreihin.
Kemiallisen termodynamiikan tutkimusmenetelmät on jaettu kahteen ryhmään:
- Termodynaaminen. Niissä ei oteta huomioon tiettyjen aineiden luonnetta eivätkä ne perustu mihinkään malliajatukseen aineiden atomi- ja molekyylirakenteesta. Tällaisia menetelmiä kutsutaan yleensä fenomenologiseksi eli havaittujen määrien välisten suhteiden luomiseksi.
- Tilastollinen. Ne perustuvat aineen rakenteeseen ja kvanttivaikutuksiin, mahdollistavat järjestelmien käyttäytymisen kuvaamisen atomien ja niiden aineosien tasolla tapahtuvien prosessien analyysin perusteella.
Molemmilla näistä lähestymistavoista on etunsa ja haittansa.
| Menetelmä | Arvollisuus | Epäkohdat |
| Termodynaaminen | Isoista johtuenyleisluontoisuus on melko yksinkertaista eikä vaadi lisätietoja, mutta ratkaisee erityisongelmia | Ei paljasta prosessimekanismia |
| Tilasto | Auttaa ymmärtämään ilmiön olemusta ja mekanismia, koska se perustuu ideoihin atomeista ja molekyyleistä | Edellyttää perusteellista valmistelua ja paljon tietoa |
Kemiallisen termodynamiikan peruskäsitteet
Järjestelmä on mikä tahansa materiaalinen makroskooppinen tutkimuskohde, joka on eristetty ulkoisesta ympäristöstä, ja raja voi olla sekä todellinen että kuvitteellinen.
Järjestelmätyypit:
- suljettu (suljettu) - ominaista kokonaismassan pysyvyys, aineen vaihtoa ympäristön kanssa ei tapahdu, mutta energianvaihto on mahdollista;
- avoin - vaihtaa sekä energiaa että ainetta ympäristön kanssa;
- eristetty - ei vaihda energiaa (lämpöä, työtä) tai ainetta ulkoisen ympäristön kanssa, vaikka sen tilavuus on vakio;
- adiabaattinen-eristetty - sillä ei ole vain lämmönvaihtoa ympäristön kanssa, vaan se voidaan yhdistää työhön.
Termien, mekaanisten ja diffuusiokontaktien käsitteitä käytetään osoittamaan energian ja aineen vaihtotapa.
Järjestelmän tilan parametrit ovat mitattavissa olevia järjestelmän tilan makroominaisuuksia. Ne voivat olla:
- intensiivinen - massasta riippumaton (lämpötila, paine);
- laajuinen (kapasitiivinen) - verrannollinen aineen massaan (tilavuus,lämpökapasiteetti, massa).
Kaikki nämä parametrit ovat kemiallisen termodynamiikan lainattuja fysiikasta ja kemiasta, mutta niillä on hieman erilainen sisältö, koska niitä tarkastellaan lämpötilan mukaan. Tämän arvon ansiosta eri ominaisuudet ovat yhteydessä toisiinsa.
Tasapaino on järjestelmän tila, jossa se joutuu jatkuviin ulkoisiin olosuhteisiin ja jolle on ominaista termodynaamisten parametrien tilapäinen pysyvyys sekä materiaali- ja lämpövirtojen puuttuminen siinä. Tässä tilassa paineen, lämpötilan ja kemiallisen potentiaalin pysyvyys havaitaan koko järjestelmän tilavuudessa.
Tasapaino- ja epätasapainoprosessit
Termodynaamisella prosessilla on erityinen paikka kemiallisen termodynamiikan peruskäsitejärjestelmässä. Se määritellään järjestelmän tilan muutoksiksi, joille on ominaista yhden tai useamman termodynaamisen parametrin muutokset.
Järjestelmän tilan muutokset ovat mahdollisia eri olosuhteissa. Tässä suhteessa tehdään ero tasapaino- ja epätasapainoprosessien välillä. Tasapainoprosessia (tai kvasistaattista) pidetään sarjana järjestelmän tasapainotiloja. Tässä tapauksessa kaikki sen parametrit muuttuvat äärettömän hitaasti. Jotta tällainen prosessi voidaan toteuttaa, useiden ehtojen on täytyttävä:
- Äärimmäisen pieni ero vaikuttavien ja vastakkaisten voimien arvoissa (sisäinen ja ulkoinen paine jne.).
- Prosessin äärettömän hidas nopeus.
- Maksimityö.
- Ulkoisen voiman äärettömän pieni muutos muuttaa virtauksen suuntaakäänteinen prosessi.
- Suoran ja käänteisen prosessin työn arvot ovat samat ja niiden polut ovat samat.
Järjestelmän epätasapainotilan muuttamista tasapainoon kutsutaan relaksaatioksi, ja sen kestoa kutsutaan rentoutumisajaksi. Kemiallisessa termodynamiikassa relaksaatioajan suurin arvo otetaan usein mille tahansa prosessille. Tämä johtuu siitä tosiasiasta, että todelliset järjestelmät poistuvat helposti tasapainotilasta järjestelmään nousevien energia- ja/tai ainevirtojen kanssa ja ovat epätasapainoisia.
Kääntyvät ja peruuttamattomat prosessit
Kääntyvä termodynaaminen prosessi on järjestelmän siirtymistä tilastaan toiseen. Se voi virrata ei vain eteenpäin, vaan myös vastakkaiseen suuntaan, lisäksi samojen välitilojen läpi, samalla kun ympäristössä ei tapahdu muutoksia.
Peruuttamaton on prosessi, jossa järjestelmän siirtyminen tilasta toiseen on mahdotonta ilman muutoksia ympäristössä.
Peruuttamattomia prosesseja ovat:
- lämmönsiirto äärellisessä lämpötilaerossa;
- kaasun paisuminen tyhjiössä, koska sen aikana ei tehdä töitä eikä kaasua ole mahdollista puristaa ilman sitä;
- diffuusio, koska poiston jälkeen kaasut diffuusoituvat helposti keskenään ja päinvastainen prosessi on mahdoton ilman työtä.
Muut termodynaamiset prosessit
Pyöreä prosessi (sykli) on sellainen prosessi, sen aikanajolle järjestelmälle oli ominaista sen ominaisuuksien muutos, ja sen lopussa se palasi alkuperäisiin arvoihinsa.
Prosessia kuvaavista lämpötilan, tilavuuden ja paineen arvoista riippuen kemiallisessa termodynamiikassa erotetaan seuraavat prosessityypit:
- Isoterminen (T=vakio).
- Isobaarinen (P=vakio).
- Isokoorinen (V=const).
- Adiabaattinen (Q=vakio).
Kemiallisen termodynamiikan lait
Ennen kuin tarkastellaan pääpostulaatteja, on muistettava eri järjestelmien tilaa kuvaavien suureiden olemus.
Järjestelmän sisäinen energia U ymmärretään sen energiavarastoksi, joka koostuu hiukkasten liike- ja vuorovaikutusenergioista, eli kaikentyyppisestä energiasta paitsi liike-energiasta ja sen potentiaalisesta sijaintienergiasta. Määritä sen muutos ∆U.
Entalpiaa H kutsutaan usein laajennetun järjestelmän energiaksi sekä sen lämpösisällöksi. H=U+pV.
Lämpö Q on häiriintynyt energiansiirron muoto. Järjestelmän sisäistä lämpöä pidetään positiivisena (Q > 0), jos lämpö absorboituu (endoterminen prosessi). Se on negatiivinen (Q < 0), jos lämpöä vapautuu (eksoterminen prosessi).
Työ A on tilattu energiansiirron muoto. Sitä pidetään positiivisena (A>0), jos järjestelmä suorittaa sen ulkoisia voimia vastaan, ja negatiivisena (A<0), jos sen suorittavat ulkoiset voimat järjestelmään.
Peruspostulaatti on termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö. On paljonhänen sanamuotonsa, joista voidaan erottaa seuraavat: "Energian siirtyminen tyypistä toiseen tapahtuu täysin vastaavina määrinä."
Jos järjestelmä siirtyy tilasta 1 tilaan 2, johon liittyy lämmön Q absorptio, joka puolestaan kuluu sisäisen energian ∆U muuttamiseen ja työn A tekemiseen, niin matemaattisesti tämä postulaatti on kirjoitettu yhtälöillä: Q=∆U +A tai δQ=dU + δA.
Termodynamiikan toista pääsääntöä, kuten ensimmäistäkään, ei johdeta teoreettisesti, vaan sillä on postulaatin asema. Sen luotettavuuden kuitenkin vahvistavat sen kokeellisia havaintoja vastaavat seuraukset. Fysikaalisessa kemiassa seuraava muotoilu on yleisempi: "Jokaisessa eristetyssä järjestelmässä, joka ei ole tasapainotilassa, entropia kasvaa ajan myötä ja sen kasvu jatkuu, kunnes järjestelmä siirtyy tasapainotilaan."
Matemaattisesti tämä kemiallisen termodynamiikan postulaatti on muotoa: dSisol≧0. Epäyhtälömerkki tarkoittaa tässä tapauksessa epätasapainotilaa ja "="-merkki tasapainoa.
