Химическа термодинамика: основни понятия, закони, проблеми

Отделни елементи на основите на химическата термодинамика започват да се разглеждат в гимназията. В уроците по химия студентите за пръв път срещат такива концепции като обратими и необратими процеси, химически

Определение на термодинамиката

Учениците от университетите и колежите от химически и технологични специалности изучават подробно термодинамиката в рамките на физическата и / или колоидната химия. Това е един от основните теми, разбирането на което ни позволява да извършим изчисленията, необходими за разработването на нови производствени линии и оборудване за тях, решаване на проблеми в съществуващите технологични схеми.

Химична термодинамика се нарича част от физическата химия, химически изследвания макро и свързаните с тях процеси на базата на общите закони на трансформации на топлинна енергия и работят един с друг.

Тя се основава на три постулати, които често се наричат ​​началото на термодинамиката. Те нямат математическа основа, но се основават на обобщение на експерименталните данни, натрупани от човечеството. От тези закони се извеждат много последствия, поставени в основата на описанието на околния свят.

задачи

Основните задачи на химическата термодинамика включват:

• задълбочено проучване, както и обяснение на най-важните закони, които определят посоката на химичните процеси и техните условия на дебитите им влияят (сряда, нечистота, радиация и т.н.);
• изчисляване на енергийния ефект на всеки химичен или физикохимичен процес;
• определяне на условията за максимален добив на реакционни продукти;
• определянето на критериите за равновесно състояние за различни термодинамични системи;
• установяването на необходимите критерии за спонтанното протичане на определен физичен и химичен процес.

Предмет и обект

Тази част от науката не си поставя за цел да обясни характера или механизма на всяко химическо явление. Тя се интересува само от енергийната страна на процесите, които се случват. Следователно предметът на химическата термодинамика може да се нарече енергия и законите на енергийната конверсия в хода на химичните реакции, разтварянето на веществата по време на изпарението и кристализацията.

Тази наука дава възможност да се прецени дали дадена реакция може да се извърши при определени условия от енергийната страна на въпроса.

Предметът на изследването е термичен баланс на физикохимични процеси, фазови преходи и химическо равновесие. И само в макроскопични системи, т.е. тези, които се състоят от огромен брой частици.

методи

Термодинамичният клон на физичната химия използва теоретични (изчислени) и практически (експериментални) методи за решаване на основните проблеми. Първата група методи позволява да се свържат количествено различни свойства и да се изчисли един от тях въз основа на експерименталните стойности на другите, използвайки принципите на термодинамиката. Законите на квантовата механика помагат да се установят методи за описване и характеризиране на движението на частиците, за свързване на количествата, които ги характеризират, с физическите параметри, определени в хода на експериментите.

Изследователските методи на химичната термодинамика са разделени на две групи:

• Термодинамични. Те не отчитат характера на конкретните вещества, те не се основават на нито един модел на атомно-молекулярната структура на веществата. Такива методи обикновено се наричат ​​феноменологични, т.е. установяват отношения между наблюдаваните количества.
• Статистика. Те се основават на структурата на материята и квантовите ефекти, ни позволяват да опишем поведението на системите, разчитайки на анализа на процесите, протичащи на нивото на атомите и техните съставни частици.

И двата подхода имат своите предимства и недостатъци.

Основни понятия за химическа термодинамика

Системата е всеки материален макроскопичен обект на изследване, отделен от външната среда, а границата може да бъде реална или въображаема.

Видове системи:

• затворен (затворен) - характеризира се с постоянството на общата маса, няма обмяна на материя с външната среда, но е възможно обменът на енергия;
• Отворен обмен с околната среда, енергията и веществото;
• изолирано - не обменя с околната среда нито енергия (топлина, работа), нито материя, докато има постоянен обем;
• адиабатично изолиран - няма само термичен обмен с външната среда, но може да бъде свързан с него чрез работа.

Концепциите за термични, механични и дифузионни контакти се използват за посочване на начина на обмен на енергия и материали.

Параметри на състоянието на системата са всякакви измерими макро-характеристики на състоянието на системата. Те могат да бъдат:

• интензивен - независимо от масата (температура, налягане);
• обширна (капацитивна) - пропорционална на масата на веществото (обем, топлинна мощност, маса).

Всички тези параметри се заемат от химическа термодинамика във физиката и химията, но те придобиват малко по-различно съдържание, тъй като те се считат в зависимост от температурата. Благодарение на тази величина са свързани различни свойства.

Тя се нарича равновесно състояние на системата, в която се предлага при постоянни външни условия, и се характеризира с временно продължаване на термодинамичните параметри, както и липсата на материал в нея и топлинни потоци. За това състояние налягането, температурата и химическият потенциал са постоянни в целия обем на системата.

Равновесни и неравновесни процеси

Термодинамичният процес заема специално място в системата на основните понятия за химическа термодинамика. Тя се определя като промени в състоянието на системата, които се характеризират с промени в едно или повече термодинамични параметри.

Промените в състоянието на системата са възможни при различни условия. В тази връзка разграничавайте равновесните и неравновесните процеси. Равновесният (или квазистатичният) процес се счита за серия от равновесни състояния на всяка система. В този случай всичките му параметри се променят безкрайно бавно. За да се продължи с такъв процес, е необходимо да се спазват редица условия:

1. Незначителна разлика в стойностите на действащите и противоположни сили (вътрешно и външно налягане и т.н.).
2. Неограничено бавна скорост на процеса.
3. Максимална работа.
4. Незначителната промяна във външната сила обръща посоката на процеса.
5. Стойностите на работата на преките и обратните процеси са равни и техните пътеки съвпадат.

Процесът на промяна на неравновесното състояние на системата до равновесие се нарича отпускане и нейната продължителност се нарича времето за релаксация. В химическата термодинамика често се приема най-голямата стойност на времето за релаксация за определен процес. Това се дължи на факта, че реалните системи лесно оставят състояние на равновесие с възникващите потоци от енергия и / или материя в системата и не са равновесни.

Обратими и необратими процеси

Реверсивен термодинамичен процес е преходът на една система от едно състояние към друго. Тя може да тече не само в посока напред, но и в обратната посока и през едни и същи междинни състояния, без да се наблюдават промени в околната среда.

Необратимият е процесът, при който преходът на дадена система от една държава в друга е невъзможен, не е съпроводен от промени в околната среда.

Необратимите процеси са:

• пренос на топлина при крайна температурна разлика;
• разширяване на газа във вакуум, тъй като той не извършва работа и е невъзможно да се изтласка газ без него;
• дифузия, тъй като след отстраняването на газовете ще бъде лесно да се разпространява взаимно, а обратният процес без извършване на работата е невъзможен.

Други видове термодинамични процеси

Кръгъл процес (цикъл) е процес, при който системата се характеризира с промяна в нейните свойства и накрая тя се връща към първоначалните си стойности.

В зависимост от стойностите на температурата, обема и налягането, характеризиращи процеса, се разграничават следните видове химическа термодинамика:

• Изотермичен (T = const).
• Изобаричен (P = const).
• Изохорично (V = const).
• Адиабатичен (Q = const).

Закони на химическата термодинамика

Преди да разгледаме основните постулати, трябва да си припомним същността на количествата, характеризиращи състоянието на различните системи.

Вътрешната енергия U на дадена система се разбира като енергиен резерв, който се състои от енергиите на движението и взаимодействието на частиците, т.е. на всички видове енергия, с изключение на кинетичната енергия и нейната потенциална енергия на позиция. Определете неговата вариация ΔU.

Енталпията Н често се нарича енергията на разширената система, както и нейното топлинно съдържание. Н = U + pV.

Топлина Q е нарушена форма на трансфер на енергия. Вътрешната топлина на системата се счита за положителна (Q> 0), ако се абсорбира топлината (ендотермичен процес). Отрицателен (Q < 0) в случая, когато се отделя топлина (екзотермичен процес).

Работата А се нарича наречена форма на трансфер на енергия. Счита се за положителна (A> 0), ако е извършена от системата срещу външни сили и отрицателна (A<0), ако се осъществява от външни сили върху системата.

Основната постулат е първият закон на термодинамиката. Има много от формулировките му, сред които можем да различим следното: "Преходът на енергия от един вид към друг се осъществява в строго еквивалентни количества".

Ако системата прави преход от състояние 1 до състояние 2, придружен от поглъщане на топлина Q, което от своя страна, се изразходва за промяната на вътрешната енергия ΔU и работно А, математически този постулат уравнения, написани: Q = ΔU + А или делта-Q = dU + делта-A.

Вторият закон за термодинамиката, както и първият, не се извежда теоретично, а има статут на постулат. Валидността му обаче се потвърждава от последствията от него, които съответстват на експерименталните наблюдения. Във физичната химия следната формулировка е по-честа: "Във всяка изолирана система, която не е в състояние на равновесие, ентропията се увеличава с времето и растежът й продължава, докато системата влезе в състояние на равновесие".

Математически, този постулат на химическата термодинамика има формата: dS_{изолация}Ge-0. Знакът за неравенство в този случай показва неравновесието на държавата и знака "=" за равновесие.