Sesetengah elemen asas termodinamik kimia mula dipertimbangkan di sekolah menengah. Dalam pelajaran kimia, pelajar buat pertama kalinya menemui konsep seperti proses boleh balik dan tidak boleh balik, keseimbangan kimia, kesan haba dan lain-lain lagi. Daripada kursus fizik sekolah, mereka belajar tentang tenaga dalaman, kerja, potensi, dan juga berkenalan dengan undang-undang pertama termodinamik.
Takrifan termodinamik
Pelajar universiti dan kolej kepakaran kejuruteraan kimia mempelajari termodinamik secara terperinci dalam rangka kerja kimia fizikal dan/atau koloid. Ini adalah salah satu subjek asas, pemahaman yang membolehkan anda melakukan pengiraan yang diperlukan untuk pembangunan barisan pengeluaran dan peralatan teknologi baharu untuk mereka, menyelesaikan masalah dalam skim teknologi sedia ada.
Termodinamik kimia biasanya dipanggil salah satu cabang kimia fizik yang mengkaji makrosistem kimia dan proses yang berkaitan berdasarkan undang-undang am mengenai perubahan haba, kerja dan tenaga antara satu sama lain.
Ia berdasarkan tiga postulat, yang sering dipanggil prinsip termodinamik. Mereka tidak mempunyaiasas matematik, tetapi berdasarkan generalisasi data eksperimen yang telah dikumpul oleh manusia. Banyak akibat yang diperoleh daripada undang-undang ini, yang menjadi asas kepada perihalan dunia sekeliling.
Tugas
Tugas utama termodinamik kimia termasuk:
- kajian menyeluruh, serta penjelasan tentang corak terpenting yang menentukan arah proses kimia, kelajuannya, keadaan yang mempengaruhinya (persekitaran, kekotoran, sinaran, dll.);
- pengiraan kesan tenaga sebarang proses kimia atau fiziko-kimia;
- pengesanan keadaan untuk hasil maksimum produk tindak balas;
- penentuan kriteria untuk keadaan keseimbangan pelbagai sistem termodinamik;
- menetapkan kriteria yang diperlukan untuk aliran spontan proses fizikal dan kimia tertentu.
Objek dan objek
Bahagian sains ini tidak bertujuan untuk menerangkan sifat atau mekanisme mana-mana fenomena kimia. Dia hanya berminat dengan bahagian tenaga proses yang sedang berjalan. Oleh itu, subjek termodinamik kimia boleh dipanggil tenaga dan undang-undang penukaran tenaga semasa tindak balas kimia, pelarutan bahan semasa penyejatan dan penghabluran.
Sains ini memungkinkan untuk menilai sama ada tindak balas ini atau itu mampu meneruskan dalam keadaan tertentu dengan tepat dari bahagian tenaga isu itu.
Objek kajiannya dipanggil imbangan haba proses fizikal dan kimia, fasaperalihan dan keseimbangan kimia. Dan hanya dalam sistem makroskopik, iaitu, yang terdiri daripada sejumlah besar zarah.
Kaedah
Bahagian termodinamik kimia fizik menggunakan kaedah teori (pengiraan) dan praktikal (eksperimen) untuk menyelesaikan masalah utamanya. Kumpulan kaedah pertama membolehkan anda mengaitkan sifat yang berbeza secara kuantitatif, dan mengira sebahagian daripadanya berdasarkan nilai eksperimen yang lain, menggunakan prinsip termodinamik. Undang-undang mekanik kuantum membantu mewujudkan cara penghuraian dan ciri-ciri pergerakan zarah, untuk menghubungkan kuantiti yang mencirikannya dengan parameter fizik yang ditentukan dalam perjalanan eksperimen.
Kaedah penyelidikan termodinamik kimia terbahagi kepada dua kumpulan:
- Termodinamik. Mereka tidak mengambil kira sifat bahan tertentu dan tidak berdasarkan sebarang idea model tentang struktur atom dan molekul bahan. Kaedah sedemikian biasanya dipanggil fenomenologi, iaitu mewujudkan hubungan antara kuantiti yang diperhatikan.
- Statistik. Ia adalah berdasarkan struktur jirim dan kesan kuantum, membenarkan menerangkan kelakuan sistem berdasarkan analisis proses yang berlaku pada tahap atom dan zarah konstituennya.
Kedua-dua pendekatan ini mempunyai kelebihan dan kekurangannya.
| Kaedah | Maruah | Kecacatan |
| Termodinamik | Disebabkan besarkeumuman agak mudah dan tidak memerlukan maklumat tambahan, sambil menyelesaikan masalah khusus | Tidak mendedahkan mekanisme proses |
| Statistik | Membantu memahami intipati dan mekanisme fenomena, kerana ia berdasarkan idea tentang atom dan molekul | Memerlukan persediaan rapi dan banyak pengetahuan |
Konsep asas termodinamik kimia
Sistem ialah sebarang objek kajian makroskopik material, diasingkan daripada persekitaran luaran dan sempadannya boleh menjadi nyata dan khayalan.
Jenis sistem:
- tertutup (tertutup) - dicirikan oleh ketekalan jumlah jisim, tiada pertukaran jirim dengan persekitaran, namun pertukaran tenaga boleh dilakukan;
- terbuka - menukar tenaga dan jirim dengan persekitaran;
- terpencil - tidak menukar tenaga (haba, kerja) atau jirim dengan persekitaran luaran, sementara ia mempunyai isipadu tetap;
- adiabatik-diasingkan - tidak hanya mempunyai pertukaran haba dengan persekitaran, tetapi boleh dikaitkan dengan kerja.
Konsep sesentuh terma, mekanikal dan resapan digunakan untuk menunjukkan kaedah pertukaran tenaga dan jirim.
Parameter keadaan sistem ialah sebarang ciri makro keadaan sistem yang boleh diukur. Mereka boleh menjadi:
- tenang - bebas daripada jisim (suhu, tekanan);
- luas (kapasitif) - berkadar dengan jisim bahan (isipadu,kapasiti haba, jisim).
Semua parameter ini dipinjam oleh termodinamik kimia daripada fizik dan kimia, tetapi memperoleh kandungan yang sedikit berbeza, kerana ia dianggap bergantung pada suhu. Berkat nilai inilah pelbagai sifat saling berkait.
Equilibrium ialah keadaan sistem di mana ia berada di bawah keadaan luaran yang malar dan dicirikan oleh ketekalan sementara parameter termodinamik, serta ketiadaan bahan dan aliran haba di dalamnya. Untuk keadaan ini, ketekalan tekanan, suhu dan potensi kimia diperhatikan dalam keseluruhan isipadu sistem.
Proses keseimbangan dan bukan keseimbangan
Proses termodinamik menduduki tempat yang istimewa dalam sistem konsep asas termodinamik kimia. Ia ditakrifkan sebagai perubahan dalam keadaan sistem, yang dicirikan oleh perubahan dalam satu atau lebih parameter termodinamik.
Perubahan dalam keadaan sistem adalah mungkin dalam keadaan yang berbeza. Dalam hal ini, perbezaan dibuat antara proses keseimbangan dan bukan keseimbangan. Proses keseimbangan (atau kuasi-statik) dianggap sebagai satu siri keadaan keseimbangan sistem. Dalam kes ini, semua parameternya berubah secara perlahan-lahan. Untuk proses sedemikian berlaku, beberapa syarat mesti dipenuhi:
- Perbezaan yang sangat kecil dalam nilai daya bertindak dan lawan (tekanan dalaman dan luaran, dsb.).
- Kelajuan proses yang sangat perlahan.
- Kerja maksimum.
- Perubahan yang tidak terhingga dalam daya luaran mengubah arah aliranproses terbalik.
- Nilai kerja proses langsung dan terbalik adalah sama, dan laluannya adalah sama.
Proses menukar keadaan bukan keseimbangan sistem kepada keseimbangan dipanggil kelonggaran, dan tempohnya dipanggil masa kelonggaran. Dalam termodinamik kimia, nilai terbesar masa kelonggaran untuk sebarang proses sering diambil. Ini disebabkan oleh fakta bahawa sistem sebenar dengan mudah meninggalkan keadaan keseimbangan dengan aliran tenaga dan/atau jirim yang muncul dalam sistem dan bukan keseimbangan.
Proses boleh balik dan tidak boleh balik
Proses termodinamik boleh balik ialah peralihan sistem daripada satu keadaannya kepada keadaan yang lain. Ia boleh mengalir bukan sahaja ke arah hadapan, tetapi juga ke arah yang bertentangan, lebih-lebih lagi, melalui keadaan perantaraan yang sama, sementara tidak akan ada perubahan dalam persekitaran.
Tidak dapat dipulihkan ialah proses yang mana peralihan sistem dari satu keadaan ke keadaan lain adalah mustahil, tidak disertai dengan perubahan dalam persekitaran.
Proses tidak boleh diubah ialah:
- pemindahan haba pada perbezaan suhu terhingga;
- pengembangan gas dalam vakum, kerana tiada kerja dilakukan semasa gas tersebut, dan adalah mustahil untuk memampatkan gas tanpa melakukannya;
- resapan, kerana selepas penyingkiran gas akan mudah meresap bersama, dan proses sebaliknya adalah mustahil tanpa melakukan kerja.
Jenis proses termodinamik lain
Proses pekeliling (kitaran) ialah proses sedemikian, semasayang sistem itu dicirikan oleh perubahan dalam sifatnya, dan pada penghujungnya kembali kepada nilai asalnya.
Bergantung pada nilai suhu, isipadu dan tekanan yang mencirikan proses, jenis proses berikut dibezakan dalam termodinamik kimia:
- Isoterma (T=const).
- Isobarik (P=const).
- Isochoric (V=const).
- Adiabatik (Q=const).
Hukum termodinamik kimia
Sebelum mempertimbangkan postulat utama, adalah perlu untuk mengingati intipati kuantiti yang mencirikan keadaan pelbagai sistem.
Tenaga dalaman U sesuatu sistem difahami sebagai stok tenaganya, yang terdiri daripada tenaga pergerakan dan interaksi zarah, iaitu semua jenis tenaga kecuali tenaga kinetik dan tenaga potensi kedudukannya.. Tentukan perubahannya ∆U.
Entalpi H sering dipanggil tenaga sistem diperluas, serta kandungan habanya. H=U+pV.
Heat Q ialah bentuk pemindahan tenaga yang tidak teratur. Haba dalaman sistem dianggap positif (Q > 0) jika haba diserap (proses endotermik). Ia negatif (Q < 0) jika haba dibebaskan (proses eksotermik).
Kerja A ialah satu bentuk pemindahan tenaga yang tersusun. Ia dianggap positif (A>0) jika ia dilakukan oleh sistem terhadap daya luaran, dan negatif (A<0) jika ia dilakukan oleh daya luaran pada sistem.
Posulat asas ialah hukum pertama termodinamik. Terdapat banyakrumusannya, antaranya yang berikut boleh dibezakan: "Peralihan tenaga daripada satu jenis kepada jenis yang lain berlaku dalam kuantiti yang setara."
Jika sistem membuat peralihan dari keadaan 1 ke keadaan 2, disertai dengan penyerapan haba Q, yang seterusnya, dibelanjakan untuk menukar tenaga dalaman ∆U dan melakukan kerja A, maka secara matematik postulat ini adalah ditulis oleh persamaan: Q=∆U +A atau δQ=dU + δA.
Hukum kedua termodinamik, seperti yang pertama, tidak diterbitkan secara teori, tetapi mempunyai status postulat. Walau bagaimanapun, kebolehpercayaannya disahkan oleh akibatnya yang sepadan dengan pemerhatian eksperimen. Dalam kimia fizik, rumusan berikut adalah lebih biasa: "Bagi mana-mana sistem terpencil yang tidak berada dalam keadaan keseimbangan, entropi meningkat dengan masa, dan pertumbuhannya berterusan sehingga sistem memasuki keadaan keseimbangan."
Secara matematik, postulat termodinamik kimia ini mempunyai bentuk: dSisol≧0. Tanda ketidaksamaan dalam kes ini menunjukkan keadaan bukan keseimbangan, dan tanda "=" menunjukkan keseimbangan.
