Някои елементи от основите на химическата термодинамика започват да се разглеждат в гимназията. В уроците по химия учениците за първи път срещат такива понятия като обратими и необратими процеси, химическо равновесие, топлинен ефект и много други. От училищния курс по физика те научават за вътрешна енергия, работа, потенциали и дори се запознават с първия закон на термодинамиката.
Определение на термодинамиката
Студенти от университети и колежи по специалности по химическо инженерство изучават подробно термодинамиката в рамките на физическата и/или колоидна химия. Това е един от основните предмети, чието разбиране ви позволява да извършвате изчисленията, необходими за разработването на нови технологични производствени линии и оборудване за тях, решавайки проблеми в съществуващите технологични схеми.
Химичната термодинамика обикновено се нарича един от клоновете на физичната химия, който изучава химичните макросистеми и свързаните с тях процеси въз основа на общите закони за преобразуването на топлина, работа и енергия един в друг.
Той се основава на три постулата, които често се наричат принципи на термодинамиката. Те няматматематическа основа, но се основават на обобщаване на експериментални данни, които са натрупани от човечеството. Многобройни последици произтичат от тези закони, които формират основата на описанието на заобикалящия свят.
Задачи
Основните задачи на химическата термодинамика включват:
- задълбочено проучване, както и обяснение на най-важните закономерности, които определят посоката на химичните процеси, тяхната скорост, условията, които ги влияят (околна среда, примеси, радиация и др.);
- изчисляване на енергийния ефект на всеки химичен или физико-химичен процес;
- откриване на условия за максимален добив на реакционни продукти;
- определяне на критерии за равновесно състояние на различни термодинамични системи;
- установяване на необходимите критерии за спонтанното протичане на определен физичен и химичен процес.
Обект и обект
Този раздел от науката няма за цел да обясни естеството или механизма на което и да е химическо явление. Тя се интересува само от енергийната страна на протичащите процеси. Следователно предметът на химическата термодинамика може да се нарече енергия и законите за преобразуване на енергията в хода на химичните реакции, разтварянето на веществата при изпаряване и кристализация.
Тази наука дава възможност да се прецени дали тази или онази реакция е в състояние да протече при определени условия именно от енергийната страна на проблема.
Обектите на неговото изследване се наричат топлинни баланси на физични и химични процеси, фазапреходи и химични равновесия. И само в макроскопични системи, тоест такива, които се състоят от огромен брой частици.
Методи
Термодинамичният раздел на физическата химия използва теоретични (изчисление) и практически (експериментални) методи за решаване на основните си проблеми. Първата група методи ви позволява да свържете количествено различни свойства и да изчислите някои от тях въз основа на експерименталните стойности на други, като използвате принципите на термодинамиката. Законите на квантовата механика помагат да се установят начините за описание и особеностите на движението на частиците, да се свържат характеризиращите ги величини с физическите параметри, определени в хода на експериментите.
Изследователските методи на химическата термодинамика са разделени на две групи:
- Термодинамичен. Те не отчитат естеството на специфичните вещества и не се основават на каквито и да е моделни идеи за атомната и молекулярната структура на веществата. Такива методи обикновено се наричат феноменологични, тоест установяват връзки между наблюдаваните величини.
- Статистически. Те се основават на структурата на материята и квантовите ефекти, позволяват да се опише поведението на системите въз основа на анализа на процесите, протичащи на ниво атоми и съставните им частици.
И двата подхода имат своите предимства и недостатъци.
| Метод | Достойнство | Недостатъци |
| Термодинамичен | Заради голямотообобщението е доста просто и не изисква допълнителна информация, докато решава конкретни проблеми |
Не разкрива механизма на процеса |
| Статистически | Помага да се разбере същността и механизма на явлението, тъй като се основава на идеи за атоми и молекули | Изисква задълбочена подготовка и голямо количество знания |
Основни понятия на химическата термодинамика
Системата е всеки материален макроскопичен обект на изследване, изолиран от външната среда, като границата може да бъде както реална, така и въображаема.
Видове системи:
- затворен (затворен) - характеризира се с постоянство на общата маса, няма обмен на материя с околната среда, но е възможен обмен на енергия;
- отворен - обменя енергия и материя с околната среда;
- изолиран - не обменя енергия (топлина, работа) или материя с външната среда, докато има постоянен обем;
- адиабатно-изолиран - няма само топлообмен с околната среда, но може да бъде свързан с работа.
Понятията за термични, механични и дифузионни контакти се използват за обозначаване на метода на обмен на енергия и материя.
Параметрите на състоянието на системата са всякакви измерими макрохарактеристики на състоянието на системата. Те могат да бъдат:
- интензивен - независимо от масата (температура, налягане);
- екстензивен (капацитивен) - пропорционален на масата на веществото (обем,топлинен капацитет, маса).
Всички тези параметри са заимствани от химическата термодинамика от физиката и химията, но придобиват малко по-различно съдържание, тъй като се разглеждат в зависимост от температурата. Благодарение на тази стойност различните свойства са взаимосвързани.
Равновесието е състояние на система, при което тя се намира при постоянни външни условия и се характеризира с временно постоянство на термодинамичните параметри, както и с отсъствието на материални и топлинни потоци в нея. За това състояние постоянството на налягането, температурата и химическия потенциал се наблюдава в целия обем на системата.
Равновесни и неравновесни процеси
Термодинамичният процес заема специално място в системата от основни понятия на химическата термодинамика. Дефинира се като промени в състоянието на системата, които се характеризират с промени в един или повече термодинамични параметри.
Промени в състоянието на системата са възможни при различни условия. В тази връзка се прави разлика между равновесни и неравновесни процеси. Равновесният (или квазистатичен) процес се разглежда като поредица от равновесни състояния на системата. В този случай всички негови параметри се променят безкрайно бавно. За да се осъществи такъв процес, трябва да бъдат изпълнени редица условия:
- Безкрайно малка разлика в стойностите на действащите и противоположните сили (вътрешно и външно налягане и др.).
- Безкрайно бавна скорост на процеса.
- Максимална работа.
- Безкрайно малка промяна във външната сила променя посоката на потокаобратен процес.
- Стойностите на работата на директния и обратния процес са равни и техните пътища са еднакви.
Процесът на промяна на неравновесното състояние на системата в равновесно се нарича релаксация, а продължителността му се нарича време на релаксация. В химическата термодинамика често се взема най-голямата стойност на времето за релаксация за всеки процес. Това се дължи на факта, че реалните системи лесно напускат състоянието на равновесие с възникващите потоци енергия и/или материя в системата и са неравновесни.
Обратими и необратими процеси
Обратим термодинамичен процес е преходът на система от едно от нейните състояния в друго. Може да тече не само в посока напред, но и в обратна посока, освен това през същите междинни състояния, докато няма да има промени в околната среда.
Необратим е процес, за който преминаването на системата от едно състояние в друго е невъзможно, не е придружено от промени в средата.
Необратимите процеси са:
- пренос на топлина при крайна температурна разлика;
- разширяване на газ във вакуум, тъй като по време на него не се извършва работа и е невъзможно да се компресира газът без да се направи;
- дифузия, тъй като след отстраняването газовете лесно ще дифундират взаимно, а обратният процес е невъзможен без извършване на работа.
Други видове термодинамични процеси
Кръгов процес (цикъл) е такъв процес, по времекоето системата се характеризира с промяна в свойствата си и в края му се връща към първоначалните си стойности.
В зависимост от стойностите на температурата, обема и налягането, характеризиращи процеса, в химическата термодинамика се разграничават следните видове процеси:
- Изотермично (T=const).
- Изобарна (P=const).
- Изохоричен (V=const).
- Адиабатен (Q=const).
Законите на химическата термодинамика
Преди да разгледаме основните постулати, е необходимо да си припомним същността на величините, характеризиращи състоянието на различните системи.
Вътрешната енергия U на системата се разбира като запас от нейната енергия, която се състои от енергиите на движение и взаимодействие на частици, тоест всички видове енергия с изключение на кинетичната енергия и нейната потенциална енергия на позиция. Определете неговата промяна ∆U.
Енталпия H често се нарича енергия на разширената система, както и нейното топлинно съдържание. H=U+pV.
Heat Q е неправилна форма на пренос на енергия. Вътрешната топлина на системата се счита за положителна (Q > 0), ако топлината се абсорбира (ендотермичен процес). Той е отрицателен (Q < 0), ако се отдели топлина (екзотермичен процес).
Работа А е подредена форма на пренос на енергия. Счита се за положителен (A>0), ако се извършва от системата срещу външни сили, и отрицателен (A<0), ако се извършва от външни сили върху системата.
Основният постулат е първият закон на термодинамиката. Има многонеговите формулировки, сред които могат да се разграничат следните: "Преходът на енергията от един вид към друг се извършва в строго еквивалентни количества."
Ако системата направи преход от състояние 1 към състояние 2, придружен от поглъщане на топлина Q, която от своя страна се изразходва за промяна на вътрешната енергия ∆U и извършване на работа A, тогава математически този постулат е записани от уравненията: Q=∆U +A или δQ=dU + δA.
Вторият закон на термодинамиката, подобно на първия, не е изведен теоретично, а има статут на постулат. Въпреки това, неговата надеждност се потвърждава от последствията от него, съответстващи на експериментални наблюдения. Във физическата химия по-често се среща следната формулировка: „За всяка изолирана система, която не е в състояние на равновесие, ентропията се увеличава с времето и нейният растеж продължава, докато системата влезе в състояние на равновесие.“
Математически този постулат на химическата термодинамика има формата: dSisol≧0. Знакът за неравенство в този случай показва неравновесното състояние, а знакът "=" показва равновесие.
