Kimyasal termodinamiğin temellerinin bazı unsurları lisede ele alınmaya başlar. Kimya derslerinde öğrenciler ilk kez tersinir ve tersinmez süreçler, kimyasal denge, termal etki ve daha birçok kavramla karşılaşırlar. Okul fizik dersinden iç enerji, iş, potansiyeller hakkında bilgi edinirler ve hatta termodinamiğin birinci kanunu ile tanışırlar.
Termodinamiğin tanımı
Üniversitelerin ve kimya mühendisliği uzmanlık kolejlerinin öğrencileri, termodinamiği fiziksel ve/veya kolloidal kimya çerçevesinde ayrıntılı olarak inceler. Bu, anlayışı, onlar için yeni teknolojik üretim hatları ve ekipmanlarının geliştirilmesi için gerekli hesaplamaları yapmanıza ve mevcut teknolojik şemalardaki sorunları çözmenize izin veren temel konulardan biridir.
Kimyasal termodinamik genellikle fiziksel kimyanın, ısı, iş ve enerjinin birbirine dönüşümüne ilişkin genel yasalara dayalı olarak kimyasal makrosistemleri ve ilgili süreçleri inceleyen dallarından biri olarak adlandırılır.
Genellikle termodinamiğin ilkeleri olarak adlandırılan üç önermeye dayanır. Sahip değillermatematiksel temele dayanmaz, ancak insanlık tarafından biriktirilen deneysel verilerin genelleştirilmesine dayanır. Çevredeki dünyanın tanımının temelini oluşturan bu yasalardan çok sayıda sonuç çıkar.
Görevler
Kimyasal termodinamiğin ana görevleri şunlardır:
- kapsamlı bir çalışma ve ayrıca kimyasal süreçlerin yönünü, hızlarını, onları etkileyen koşulları (çevre, kirlilikler, radyasyon vb.) belirleyen en önemli kalıpların bir açıklaması;
- herhangi bir kimyasal veya fiziko-kimyasal sürecin enerji etkisinin hesaplanması;
- reaksiyon ürünlerinin maksimum verimi için koşulların tespiti;
- çeşitli termodinamik sistemlerin denge durumu için kriterlerin belirlenmesi;
- belirli bir fiziksel ve kimyasal sürecin kendiliğinden akışı için gerekli kriterlerin belirlenmesi.
Nesne ve nesne
Bilimin bu bölümü, herhangi bir kimyasal fenomenin doğasını veya mekanizmasını açıklamayı amaçlamaz. O sadece devam eden süreçlerin enerji tarafıyla ilgileniyor. Bu nedenle kimyasal termodinamiğin konusu enerji ve kimyasal reaksiyonlar sırasında enerji dönüşüm yasaları, buharlaşma ve kristalleşme sırasında maddelerin çözünmesi olarak adlandırılabilir.
Bu bilim, şu veya bu reaksiyonun belirli koşullar altında tam olarak konunun enerji yönünden ilerleyip ilerlemediğini yargılamayı mümkün kılar.
Çalışmasının nesnelerine fiziksel ve kimyasal süreçlerin ısı dengeleri, fazgeçişler ve kimyasal dengeler. Ve sadece makroskopik sistemlerde, yani çok sayıda parçacıktan oluşan sistemlerde.
Yöntemler
Fiziksel kimyanın termodinamik bölümü, ana problemlerini çözmek için teorik (hesaplama) ve pratik (deneysel) yöntemleri kullanır. İlk yöntem grubu, farklı özellikleri nicel olarak ilişkilendirmenize ve termodinamik ilkelerini kullanarak bazılarını diğerlerinin deneysel değerlerine dayanarak hesaplamanıza olanak tanır. Kuantum mekaniğinin yasaları, parçacıkların hareketini tanımlamanın yollarını ve özelliklerini oluşturmaya, onları karakterize eden nicelikleri deneyler sırasında belirlenen fiziksel parametrelerle birleştirmeye yardımcı olur.
Kimyasal termodinamik araştırma yöntemleri iki gruba ayrılır:
- Termodinamik. Spesifik maddelerin doğasını dikkate almazlar ve maddelerin atomik ve moleküler yapısı hakkında herhangi bir model fikrine dayanmazlar. Bu tür yöntemlere genellikle fenomenolojik denir, yani gözlemlenen nicelikler arasında ilişkiler kurar.
- İstatistiksel. Maddenin yapısına ve kuantum etkilerine dayanırlar, atomlar ve onları oluşturan parçacıklar düzeyinde meydana gelen süreçlerin analizine dayalı olarak sistemlerin davranışını tanımlamaya izin verirler.
Bu yaklaşımların her ikisinin de avantajları ve dezavantajları vardır.
| Yöntem | Onur | Kusurlar |
| Termodinamik | Büyük nedeniylegenellik oldukça basittir ve belirli problemleri çözerken ek bilgi gerektirmez | Süreç mekanizmasını ortaya çıkarmaz |
| İstatistiki | Atomlar ve moleküller hakkındaki fikirlere dayandığı için fenomenin özünü ve mekanizmasını anlamaya yardımcı olur | Kapsamlı hazırlık ve büyük miktarda bilgi gerektirir |
Kimyasal termodinamiğin temel kavramları
Sistem, dış ortamdan izole edilmiş herhangi bir maddi makroskopik çalışma nesnesidir ve sınır hem gerçek hem de hayali olabilir.
Sistem türleri:
- kapalı (kapalı) - toplam kütlenin sabitliği ile karakterize edilir, çevre ile madde alışverişi yoktur, ancak enerji alışverişi mümkündür;
- açık - çevre ile hem enerji hem de madde alışverişi yapar;
- izole - sabit bir hacme sahipken dış ortamla enerji (ısı, iş) veya madde alışverişi yapmaz;
- adyabatik-izole - sadece çevre ile ısı alışverişi olmaz, iş ile de ilişkilendirilebilir.
Termal, mekanik ve difüzyon kontakları kavramları, enerji ve madde alışverişi yöntemini belirtmek için kullanılır.
Sistem durumu parametreleri, sistem durumunun herhangi bir ölçülebilir makro özelliğidir. Şunlar olabilir:
- yoğun - kütleden bağımsız (sıcaklık, basınç);
- geniş (kapasitif) - maddenin kütlesiyle orantılı (hacim,ısı kapasitesi, kütle).
Bütün bu parametreler, fizik ve kimyadan kimyasal termodinamik tarafından ödünç alınmıştır, ancak sıcaklığa bağlı olarak kabul edildikleri için biraz farklı bir içerik kazanırlar. Bu değer sayesinde çeşitli özellikler birbirine bağlıdır.
Denge, sabit dış koşullar altında geldiği ve termodinamik parametrelerin geçici sabitliği ile ve ayrıca içinde malzeme ve ısı akışının bulunmadığı bir sistemin durumudur. Bu durum için, sistemin tüm hacminde basınç, sıcaklık ve kimyasal potansiyelin sabitliği gözlenir.
Denge ve denge dışı süreçler
Termodinamik süreç, kimyasal termodinamiğin temel kavramları sisteminde özel bir yer tutar. Bir veya daha fazla termodinamik parametredeki değişikliklerle karakterize edilen, sistemin durumundaki değişiklikler olarak tanımlanır.
Sistemin durumundaki değişiklikler farklı koşullar altında mümkündür. Bu bağlamda, denge ve denge dışı süreçler arasında bir ayrım yapılır. Bir denge (veya yarı statik) süreci, bir sistemin bir dizi denge durumu olarak kabul edilir. Bu durumda, tüm parametreleri sonsuz yavaş değişir. Böyle bir işlemin gerçekleşmesi için bir takım koşulların karşılanması gerekir:
- Etki ve karşıt kuvvetlerin değerlerinde sonsuz küçük fark (iç ve dış basınç vb.).
- Sürecin sonsuz yavaş hızı.
- Maksimum çalışma.
- Dış kuvvetteki sonsuz küçük bir değişiklik akışın yönünü değiştirirters işlem.
- Doğrudan ve ters işlemlerin çalışmalarının değerleri eşittir ve yolları aynıdır.
Sistemin denge dışı durumunu dengeye değiştirme sürecine gevşeme, süresine de gevşeme zamanı denir. Kimyasal termodinamikte, genellikle herhangi bir işlem için gevşeme süresinin en büyük değeri alınır. Bunun nedeni, gerçek sistemlerin sistemde ortaya çıkan enerji ve/veya madde akışlarıyla denge durumunu kolayca terk etmesi ve denge olmamasıdır.
Tersinir ve geri döndürülemez süreçler
Tersinir termodinamik süreç, bir sistemin bir durumundan diğerine geçişidir. Sadece ileri yönde değil, aynı zamanda ters yönde de akabilir, üstelik aynı ara durumlar boyunca, ortamda herhangi bir değişiklik olmayacaktır.
Tersinir olmayan, sistemin bir durumdan diğerine geçişinin imkansız olduğu, çevredeki değişikliklerin eşlik etmediği bir süreçtir.
Geri çevrilemez süreçler:
- sonlu sıcaklık farkında ısı transferi;
- bir gazın vakumda genleşmesi, çünkü bu sırada hiçbir iş yapılmaz ve bunu yapmadan gazı sıkıştırmak imkansızdır;
- difüzyon, çünkü uzaklaştırıldıktan sonra gazlar karşılıklı olarak kolayca dağılacaktır ve iş yapmadan ters işlem imkansızdır.
Diğer termodinamik süreç türleri
Dairesel süreç (döngü) böyle bir süreçtir,sistem özelliklerinde bir değişiklik ile karakterize edildi ve sonunda orijinal değerlerine döndü.
Süreci karakterize eden sıcaklık, hacim ve basınç değerlerine bağlı olarak, kimyasal termodinamikte aşağıdaki işlem türleri ayırt edilir:
- İzotermal (T=const).
- İzobarik (P=sabit).
- İzokorik (V=const).
- Adyabatik (Q=const).
Kimyasal termodinamik yasaları
Ana varsayımları dikkate almadan önce, çeşitli sistemlerin durumunu karakterize eden niceliklerin özünü hatırlamak gerekir.
Bir sistemin iç enerjisi U, hareket enerjilerinden ve parçacıkların etkileşiminden oluşan, yani kinetik enerji ve konumun potansiyel enerjisi dışındaki tüm enerji türlerinden oluşan enerjisinin stoğu olarak anlaşılır.. Değişimini belirleyin ∆U.
Entalpi H, genellikle ısı içeriğinin yanı sıra genişletilmiş sistemin enerjisi olarak adlandırılır. H=U+pV.
Isı Q, enerji transferinin düzensiz bir şeklidir. Sistemin iç ısısı, ısı emilirse (endotermik süreç) pozitif olarak kabul edilir (Q > 0). Eğer ısı açığa çıkarsa (ekzotermik süreç) negatiftir (Q < 0).
İş A, enerji transferinin sıralı bir şeklidir. Sistem tarafından dış kuvvetlere karşı gerçekleştirilirse pozitif (A>0), sistem üzerindeki dış kuvvetler tarafından gerçekleştirilirse negatif (A<0) olarak kabul edilir.
Temel önerme, termodinamiğin birinci yasasıdır. Çok varFormülasyonları arasında aşağıdakiler ayırt edilebilir: "Enerjinin bir türden diğerine geçişi kesinlikle eşdeğer miktarlarda gerçekleşir."
Sistem durum 1'den durum 2'ye bir geçiş yaparsa, buna ısı Q emilimi eşlik eder, bu da sırayla iç enerjiyi ∆U değiştirmek ve A işi yapmak için harcanır, o zaman matematiksel olarak bu varsayım şudur: denklemlerle yazılır: Q=∆U +A veya δQ=dU + δA.
Termodinamiğin ikinci yasası, birincisi gibi, teorik olarak türetilmez, ancak bir postüla statüsüne sahiptir. Bununla birlikte, güvenilirliği, deneysel gözlemlere karşılık gelen sonuçlarıyla doğrulanır. Fiziksel kimyada şu formül daha yaygındır: "Denge durumunda olmayan herhangi bir izole sistem için, entropi zamanla artar ve sistem bir denge durumuna girene kadar büyümesi devam eder."
Matematiksel olarak, kimyasal termodinamiğin bu varsayımı şu şekildedir: dSisol≧0. Bu durumda eşitsizlik işareti denge dışı durumu gösterir ve "=" işareti dengeyi gösterir.
