Chemická termodynamika: základní pojmy, zákony, problémy

Samostatné prvky základů chemické termodynamiky se začínají uvažovat na střední škole. V hodinách chemie se studenti poprvé setkávají s takovými pojmy jako s reverzibilními a nevratnými procesy, chemické

Definice termodynamiky

Studenti vysokých škol a vysokých škol chemických a technologických oborů podrobněji studují termodynamiku v rámci fyzikální a / nebo koloidní chemie. Jedná se o jeden ze základních předmětů, jehož pochopení nám umožňuje provádět výpočty potřebné pro vývoj nových výrobních linek a zařízení pro ně, řešení problémů ve stávajících technologických schématech.

Chemická termodynamika se nazývá část fyzikální chemie, chemické studie makro a souvisejících procesů na základě obecných zákonů přeměn tepelné energie a vzájemně spolupracovat.

Je založen na třech postulátech, které se často nazývají počátky termodynamiky. Nemají matematický základ, ale jsou založeny na zobecnění experimentálních dat nahromaděných lidstvem. Z těchto zákonů jsou vyvozovány četné důsledky, položené na základě popisu okolního světa.

Cíle

Mezi hlavní úkoly chemické termodynamiky patří:

• důkladné studium a vysvětlení nejdůležitějších zákonitostí, které určují směr chemických procesů, rychlost jejich toku, podmínky, které je ovlivňují (prostředí, nečistoty, záření atd.);
• výpočet energetického účinku jakéhokoli chemického nebo fyzikálně chemického procesu;
• určení podmínek pro maximální výtěžnost reakčních produktů;
• stanovení kritérií rovnovážného stavu pro různé termodynamické systémy;
• stanovení nezbytných kritérií pro spontánní tok určitého fyzikálního a chemického procesu.

Předmět a předmět

Tato část vědy si nestanoví cíl vysvětlit povahu nebo mechanismus nějakého chemického jevu. Ona se zajímá pouze o energetickou stránku probíhajících procesů. Proto se předmětem chemické termodynamiky může nazývat energie a zákony přeměny energie v průběhu chemických reakcí, rozpouštění látek během odpařování a krystalizace.

Tato věda umožňuje posoudit, zda může konkrétní reakce probíhat za určitých podmínek z energetické stránky otázky.

Cílem předmětu je tepelná bilance fyzikálně chemických procesů, fázové přechody a chemická rovnováha. A pouze v makroskopických systémech, tedy v těch, které se skládají z obrovského počtu částic.

Metody

Termodynamická odvětví fyzikální chemie využívá teoretických (vypočítaných) a praktických (experimentálních) metod pro řešení základních problémů. První skupina metod vám umožňuje kvantitativně propojit různé vlastnosti a vypočítat jednu z nich na základě experimentálních hodnot ostatních pomocí principů termodynamiky. Zákony kvantové mechaniky pomáhají stanovit metody popisu a charakterizace pohybu částic, propojit jejich charakterizující veličiny s fyzikálními parametry stanovenými v průběhu experimentů.

Metody výzkumu chemické termodynamiky jsou rozděleny do dvou skupin:

• Termodynamika. Neberou v úvahu povahu specifických látek, nejsou založeny na žádném modelu atomové molekulární struktury látek. Takové metody se obvykle nazývají fenomenologické, tj. Vytvářejí vztahy mezi pozorovanými veličinami.
• Statistické. Jsou založeny na struktuře hmoty a kvantových účincích, dovolují nám popsat chování systémů založené na analýze procesů vyskytujících se na úrovni atomů a jejich částic.

Oba tyto přístupy mají své výhody a nevýhody.

Základní pojmy chemické termodynamiky

Systém je jakýkoli materiálový makroskopický předmět studia, oddělen od vnějšího prostředí a hranice může být buď skutečná nebo imaginární.

Typy systémů:

• uzavřený (uzavřený) - charakterizovaný stálostí celkové hmotnosti, neexistuje žádná výměna hmoty s vnějším prostředím, ale výměna energie je možná;
• Otevřená výměna s prostředím a energií a látkou;
• izolovaný - nevyměňuje se s prostředím ani energie (teplo, práce), ani záležitost, zatímco má konstantní objem;
• adiabaticky izolovaný - nemá pouze tepelnou výměnu s vnějším prostředím, ale může s ní pracovat.

Koncepty tepelných, mechanických a difuzních kontaktů slouží k označení způsobu výměny energie a materiálů.

Parametry stavu systému jsou jakékoliv měřitelné makro charakteristiky stavu systému. Mohou být:

• intenzivní - nezávislé na hmotnosti (teplota, tlak);
• rozsáhlé (kapacitní) - úměrné hmotnosti látky (objem, tepelná kapacita, hmotnost).

Všechny tyto parametry jsou zapůjčeny chemickou termodynamikou ve fyzice a chemii, ale získávají poněkud odlišný obsah, protože jsou zvažovány v závislosti na teplotě. Díky této velikosti jsou různé vlastnosti spojeny dohromady.

Rovnováha se nazývá stav systému, ve kterém přichází s konstantními vnějšími podmínkami, a je charakterizována dočasnou stálostí termodynamických parametrů a také absencí reálných a tepelných toků v něm. Pro tento stav je tlak, teplota a chemický potenciál konstantní v celém objemu systému.

Rovnovážné a nerovnovážné procesy

Termodynamický proces zaujímá zvláštní místo v systému základních pojmů chemické termodynamiky. Definuje se jako změny ve stavu systému, které jsou charakterizovány změnami v jednom nebo více termodynamické parametry.

Změny ve stavu systému jsou možné za různých podmínek. V tomto ohledu rozlišujte mezi rovnovážnými a nerovnovážnými procesy. Rovnovážný (nebo kvaistatický) proces je považován za řadu rovnovážných stavů libovolného systému. V tomto případě se všechny jeho parametry mění nekonečně pomalu. Pro pokračování v takovém procesu je třeba dodržet řadu podmínek:

1. Nepatrný rozdíl v hodnotách působících a protichůdných sil (vnitřní a vnější tlak atd.).
2. Nekonečně pomalá rychlost zpracování.
3. Maximální práce.
4. Nepatrná změna vnější síly mění směr procesu.
5. Hodnoty práce přímých a inverzních procesů jsou stejné a jejich cesty se shodují.

Proces změn nerovnovážného stavu systému na rovnováhu se nazývá relaxace a jeho trvání se nazývá relaxační čas. V chemické termodynamice se často předpokládá největší hodnota relaxační doby pro určitý proces. To je způsobeno tím, že reálné systémy snadno opouštějí stav rovnováhy se vznikajícími proudy energie a / nebo látek v systému a jsou nerovnovážné.

Reverzibilní a nevratné procesy

Reverzibilní termodynamický proces je přechod systému od jednoho státu k druhému. To může protékat nejen v dopředném směru, ale také v opačném směru a ve stejných mezilehlých stavech bez pozorování změn v prostředí.

Nevratný je proces, u něhož je přechod systému z jednoho státu do jiného nemožný, není doprovázen změnami v životním prostředí.

Nevratné procesy jsou:

• přenos tepla při konečném teplotním rozdílu;
• expanze plynu ve vakuu, jelikož nedodává práci a je nemožné vytlačit plyn bez něj;
• difúze, protože po odstranění plynů bude snadné vzájemně se rozptýlit a zpětný proces bez provedení práce není možné.

Jiné typy termodynamických procesů

Kruhový proces (cyklus) je proces, při kterém byl systém charakterizován změnou jeho vlastností a na jeho konci se vrátil k původním hodnotám.

V závislosti na hodnotách teploty, objemu a tlaku, které charakterizují proces, se rozlišují následující typy chemické termodynamiky:

• Izotermální (T = const).
• Izobarický (P = const).
• Isochorický (V = const).
• Adiabatický (Q = const).

Zákony chemické termodynamiky

Před zvážením základních postulátů je třeba připomenout podstatu veličin charakterizujících stav různých systémů.

Vnitřní energií U systému se rozumí jeho energetická rezerva, která se skládá z energií pohybu a interakce částic, tj. Všech typů energie s výjimkou kinetické energie a její potenciální energie pozice. Určete jeho odchylku ΔU.

Enthalpie H se často nazývá energií rozšířeného systému, stejně jako jeho tepelným obsahem. H = U + pV.

Teplo Q je neuspořádanou formou přenosu energie. Vnitřní teplo systému je považováno za pozitivní (Q> 0), pokud je absorbováno teplo (endotermický proces). Negativní (Q < 0) v případě uvolnění tepla (exotermický proces).

Práce A se nazývá uspořádaná forma přenosu energie. To je považováno za pozitivní (A> 0), jestliže systém spáchá proti vnějším silám a negativní (A<0), pokud jsou prováděny vnějšími silami nad systémem.

Hlavní postulát je prvním termodynamickým zákonem. Existuje mnoho jeho formulací, mezi kterými můžeme rozlišit následující: "Přechod energie z jednoho druhu na jiný nastává v přísně stejných množstvích."

V případě, že systém umožňuje přechod ze stavu 1 do stavu 2, spolu s absorpcí tepla Q, který je zase strávenou na změnu vnitřní energie Au a pracovním A, matematicky Tento postulát rovnice písemného: Q = Au + A nebo delta-Q = dU + delta-A.

Druhý termodynamický zákon, stejně jako první, není teoreticky vyvozován, ale má postulát. Jeho platnost je však potvrzena důsledky, které odpovídají experimentálnímu pozorování. Ve fyzikální chemii je následující formulace častější: "V jakémkoli izolovaném systému, který není ve stavu rovnováhy, se entropie časem zvyšuje a její růst pokračuje, dokud systém nevstoupí do stavu rovnováhy."

Matematicky tento postulát chemické termodynamiky má formu: dS_izolacege-0. Nerovnost značka v tomto případě odkazuje na stavu nerovnovážné, a „=“ znak v rovnováze.