Termodinamica chimica: concepte de baza, legi, probleme

Elementele separate ale bazelor termodinamicii chimice încep să fie luate în considerare în liceu. La lecțiile de chimie, elevii întâlnesc pentru prima dată astfel de concepte ca fiind reversibile și ireversibile procese, chimice

Definiția termodynamics

Studenții universităților și colegiile de specialități chimice și tehnologice studiază în detaliu termodinamica în cadrul chimiei fizice și / sau coloidale. Acesta este unul dintre subiectele fundamentale, a căror înțelegere ne permite să efectuăm calculele necesare pentru dezvoltarea unor noi linii de producție și echipamente pentru acestea, rezolvând problemele din schemele tehnologice existente.

termodinamica chimice se numește o secțiune de chimie fizică, studii chimice macro și a proceselor conexe, pe baza legilor generale ale transformărilor de energie termică și de a lucra unul cu celălalt.

Se bazează pe trei postulate, numite adesea începutul termodinamicii. Ei nu au o bază matematică, ci se bazează pe o generalizare a datelor experimentale acumulate de omenire. Din aceste legi sunt deduse numeroase consecințe, stabilite într-o bază a descrierii lumii înconjurătoare.

sarcini

Principalele sarcini ale termodinamicii chimice includ:

• studiu aprofundat, precum și o explicație a celor mai importante regularități care determină direcția proceselor chimice, viteza fluxului lor, condițiile care le afectează (mediu, impurități, radiații etc.);
• calcularea efectului energetic al oricărui proces chimic sau fizico-chimic;
• identificarea condițiilor pentru randamentul maxim al produselor de reacție;
• determinarea criteriilor de stare de echilibru pentru diferite sisteme termodinamice;
• stabilirea criteriilor necesare pentru fluxul spontan al unui anumit proces fizic și chimic.

Subiect și obiect

Această secțiune a științei nu își propune să explice natura sau mecanismul oricărui fenomen chimic. Ea este interesată doar de partea energetică a proceselor care au loc. Prin urmare, subiectul termodinamicii chimice poate fi numit energie și legile convertirii energiei în timpul reacțiilor chimice, dizolvarea substanțelor în timpul evaporării și cristalizării.

Această știință permite să se decidă dacă o anumită reacție poate interveni în anumite condiții din partea energetică a întrebării.

Obiectivele studiului său sunt balanțele termice ale proceselor fizico-chimice, tranzițiile de fază și echilibrele chimice. Și numai în sistemele macroscopice, adică cele care constau dintr-un număr imens de particule.

metode

Ramura termodinamică a chimiei fizice utilizează metode teoretice (calculate) și practice (experimentale) pentru a-și rezolva problemele de bază. Primul grup de metode vă permite să conectați cantitativ proprietăți diferite și să calculați unul dintre ele, pe baza valorilor experimentale ale altora, folosind principiile termodinamicii. Legile mecanicii cuantice ajută la stabilirea metodelor de descriere și de caracterizare a mișcării particulelor, de a lega cantitățile care le caracterizează la parametrii fizici determinați în cursul experimentelor.

Metodele de cercetare ale termodinamicii chimice sunt împărțite în două grupe:

• Termodinamic. Ele nu iau în considerare natura substanțelor specifice, nu se bazează pe niciun model al structurii moleculare atomice a substanțelor. Astfel de metode sunt numite de obicei fenomenologice, adică stabilirea relațiilor dintre cantitățile observate.
• Statistici. Ele se bazează pe structura materiei și efectele cuantice, ne permit să descriem comportamentul sistemelor, bazându-ne pe analiza proceselor care apar la nivelul atomilor și particulelor lor constituente.

Ambele abordări au avantajele și dezavantajele lor.

Concepte de bază ale termodinamicii chimice

Un sistem este orice obiect macroscopic material de studiu, detașat de mediul extern, iar granița poate fi reală sau imaginară.

Tipuri de sisteme:

• închis (închis) - caracterizat de constanța masei totale, nu există schimb de materie cu mediul extern, dar schimbul de energie este posibil;
• Schimburile deschise cu mediul, energia și substanța;
• izolat - nu schimbă cu mediul nici energia (căldura, munca), nici materia, în timp ce are un volum constant;
• adiabatic izolat - nu are doar un schimb termic cu mediul extern, ci poate fi conectat cu el prin muncă.

Conceptele contactelor termice, mecanice și de difuzie sunt folosite pentru a indica modul de schimbare a energiei și a materiei.

Parametrii stării sistemului sunt orice caracteristici macro măsurabile ale stării sistemului. Acestea pot fi:

• intensiv - independent de masă (temperatură, presiune);
• (capacitiv) - proporțional cu masa substanței (volum, capacitate termică, masă).

Toți acești parametri sunt împrumutați de termodinamică chimică în fizică și chimie, dar aceștia dobândesc un conținut ușor diferit, deoarece sunt considerați în funcție de temperatură. Datorită acestei magnitudini, proprietățile diferite sunt legate între ele.

Se numește stare de echilibru a sistemului în care este vorba în condiții externe constante și se caracterizează prin continuarea temporară a parametrilor termodinamici, precum și lipsa de material în ea, și fluxurile de căldură. Pentru această condiție există o presiune constantă, temperatura și potențialul chimic în întregul volum al sistemului.

Procese de echilibru și de echilibru

Procesul termodinamic ocupă un loc special în sistemul conceptelor de bază ale termodinamicii chimice. Este definit ca schimbări în starea sistemului care sunt caracterizate de schimbări în unul sau mai multe termodinamice.

Modificările în starea sistemului sunt posibile în condiții diferite. În acest sens, distingeți între procesele de echilibru și non-echilibru. Procesul de echilibru (sau quasistatic) este considerat o serie de stări de echilibru ale oricărui sistem. În acest caz, toți parametrii se schimbă infinit lent. Pentru a continua un astfel de proces, este necesar să se respecte o serie de condiții:

1. O diferență infinitezimală în valorile forțelor care acționează și care se opun (presiunea internă și externă și așa mai departe).
2. Viteza de procesare încetinită încet.
3. Lucrul maxim.
4. O schimbare infinitezimală a forței externe inversează direcția procesului.
5. Valorile muncii proceselor directe și inverse sunt egale, iar căile lor coincid.

Procesul de schimbare a stării de echilibru a sistemului la echilibru se numește relaxare, iar durata acestuia se numește timpul de relaxare. În termodinamica chimică, cea mai mare valoare a timpului de relaxare pentru un anumit proces este adesea presupusă. Acest lucru se datorează faptului că sistemele reale părăsesc cu ușurință starea de echilibru cu fluxurile de energie și / sau substanțe emergente din sistem și sunt neechilibrate.

Procese reversibile și ireversibile

Un proces termodinamic reversibil este tranziția unui sistem de la o stare la alta. Poate curge nu numai în direcția înainte, ci și în direcția opusă și prin aceleași stări intermediare, fără modificări ale mediului observate.

Procesul ireversibil este procesul pentru care tranziția unui sistem de la o stare la alta este imposibilă, fără a fi însoțită de schimbări în mediu.

Procesele ireversibile sunt:

• transferul de căldură la o diferență de temperatură finită;
• extinderea gazului în vid, deoarece nu funcționează și este imposibil să stoarcem gazul fără el;
• difuzie, deoarece după îndepărtarea gazelor va fi ușor de difuzat reciproc, iar procesul invers fără a efectua lucrarea este imposibil.

Alte tipuri de procese termodinamice

Un proces circular (ciclu) este un proces în care sistemul a fost caracterizat printr-o schimbare a proprietăților sale și la sfârșitul său a revenit la valorile sale inițiale.

În funcție de valorile temperaturii, volumului și presiunii, care caracterizează procesul, se disting următoarele tipuri de termodinamică chimică:

• Izotermă (T = const).
• Izobaric (P = const).
• Isochoric (V = const).
• Adiabatic (Q = const).

Legile termodinamicii chimice

Înainte de a examina postulatele de bază, este necesar să reamintim esența cantităților care caracterizează starea diferitelor sisteme.

Energia internă U a unui sistem este înțeleasă ca rezervă de energie, care este compusă din energiile mișcării și interacțiunii particulelor, adică din toate tipurile de energie, cu excepția energiei cinetice și a potențialei sale energii de poziție. Determinați variația lui ΔU.

Entalpia H este denumită adesea energia sistemului extins, precum și conținutul său de căldură. H = U + pV.

Căldura Q este o formă dezordonată a transferului de energie. Căldura internă a sistemului este considerată pozitivă (Q> 0), dacă este absorbită căldura (proces endotermic). Negativ (Q < 0) în cazul în care căldura este eliberată (proces exotermic).

Munca A se numește o formă comandată de transfer de energie. Este considerat pozitiv (A> 0), dacă este comis de sistem împotriva forțelor externe, și negativ (A<0), dacă este efectuată de forțe externe asupra sistemului.

Postulatul principal este prima lege a termodinamicii. Există multe dintre formulările sale, dintre care putem distinge următoarele: "Transformarea energiei de la o specie la alta are loc în cantități strict echivalente".

În cazul în care sistemul face o tranziție de la starea 1 la starea 2, însoțită de absorbția Q căldură, care, la rândul său, este cheltuit pe schimbarea DU interne a energiei și o lucrare A, matematic acest postulat ecuații scris: Q = AU + A sau delta-Q = dU + delta-A.

A doua lege a termodinamicii, ca prima, nu este dedusă teoretic, ci are statutul de postulat. Cu toate acestea, validitatea acestuia este confirmată de corolari din acesta care corespund observațiilor experimentale. În chimia fizică apare adesea după formularea: „În orice sistem izolat, care nu se află în echilibru, entropia crește în timp, și continuă creșterea, până când sistemul este într-o stare de echilibru.“

Matematic, acest postulat al termodinamicii chimice are forma: dS_izolațiege-0. Semnul de inegalitate în acest caz indică dezechilibrul statului și semnul "=" pentru echilibru.