Ang ilang mga elemento ng mga pangunahing kaalaman ng kemikal na thermodynamics ay nagsimulang isaalang-alang sa mataas na paaralan. Sa mga aralin sa kimika, ang mga mag-aaral sa unang pagkakataon ay nakatagpo ng mga konsepto tulad ng nababaligtad at hindi maibabalik na mga proseso, chemical equilibrium, thermal effect at marami pang iba. Mula sa kursong pisika ng paaralan, natututo sila tungkol sa panloob na enerhiya, trabaho, potensyal, at maging pamilyar sa unang batas ng thermodynamics.
Kahulugan ng thermodynamics
Ang mga mag-aaral ng mga unibersidad at kolehiyo ng mga speci alty sa chemical engineering ay nag-aaral ng termodinamika nang detalyado sa loob ng balangkas ng pisikal at/o koloidal na kimika. Ito ay isa sa mga pangunahing paksa, ang pag-unawa kung saan ay nagbibigay-daan sa iyo upang maisagawa ang mga kalkulasyon na kinakailangan para sa pagbuo ng mga bagong teknolohikal na linya ng produksyon at kagamitan para sa kanila, paglutas ng mga problema sa mga umiiral na teknolohikal na pamamaraan.
Ang chemical thermodynamics ay karaniwang tinatawag na isa sa mga sangay ng physical chemistry na nag-aaral ng mga chemical macrosystem at mga kaugnay na proseso batay sa mga pangkalahatang batas sa pagbabago ng init, trabaho at enerhiya sa isa't isa.
Ito ay batay sa tatlong postulate, na kadalasang tinatawag na mga prinsipyo ng thermodynamics. Wala silangmathematical na batayan, ngunit nakabatay sa generalization ng experimental data na naipon ng sangkatauhan. Maraming kahihinatnan ang nagmula sa mga batas na ito, na nagiging batayan ng paglalarawan ng nakapaligid na mundo.
Mga Gawain
Ang mga pangunahing gawain ng chemical thermodynamics ay kinabibilangan ng:
- isang masusing pag-aaral, pati na rin ang pagpapaliwanag sa pinakamahalagang pattern na tumutukoy sa direksyon ng mga prosesong kemikal, ang bilis ng mga ito, ang mga kondisyong nakakaapekto sa kanila (kapaligiran, mga impurities, radiation, atbp.);
- pagkalkula ng epekto ng enerhiya ng anumang prosesong kemikal o physico-chemical;
- detection ng mga kondisyon para sa maximum na ani ng mga produkto ng reaksyon;
- pagtukoy ng pamantayan para sa estado ng balanse ng iba't ibang thermodynamic system;
- pagtatatag ng kinakailangang pamantayan para sa kusang daloy ng isang partikular na prosesong pisikal at kemikal.
Bagay at bagay
Ang seksyong ito ng agham ay hindi naglalayong ipaliwanag ang kalikasan o mekanismo ng anumang kemikal na phenomenon. Siya ay interesado lamang sa bahagi ng enerhiya ng patuloy na mga proseso. Samakatuwid, ang paksa ng chemical thermodynamics ay matatawag na enerhiya at ang mga batas ng conversion ng enerhiya sa kurso ng mga reaksiyong kemikal, ang paglusaw ng mga sangkap sa panahon ng evaporation at crystallization.
Ang agham na ito ay ginagawang posible na hatulan kung ito o ang reaksyong iyon ay may kakayahang magpatuloy sa ilalim ng ilang partikular na kundisyon nang eksakto mula sa bahagi ng enerhiya ng isyu.
Ang mga bagay ng pag-aaral nito ay tinatawag na mga balanse ng init ng mga prosesong pisikal at kemikal, yugtomga transition at chemical equilibria. At sa mga macroscopic system lamang, iyon ay, ang mga binubuo ng malaking bilang ng mga particle.
Mga Paraan
Thermodynamic na seksyon ng physical chemistry ay gumagamit ng teoretikal (pagkalkula) at praktikal (pang-eksperimento) na mga pamamaraan upang malutas ang mga pangunahing problema nito. Ang unang pangkat ng mga pamamaraan ay nagbibigay-daan sa iyo upang quantitatively maiugnay ang iba't ibang mga katangian, at kalkulahin ang ilan sa mga ito batay sa mga pang-eksperimentong halaga ng iba, gamit ang mga prinsipyo ng thermodynamics. Ang mga batas ng quantum mechanics ay tumutulong upang maitaguyod ang mga paraan ng paglalarawan at mga tampok ng paggalaw ng mga particle, upang ikonekta ang mga dami na nagpapakilala sa kanila sa mga pisikal na parameter na tinutukoy sa kurso ng mga eksperimento.
Ang mga paraan ng pananaliksik ng chemical thermodynamics ay nahahati sa dalawang grupo:
- Thermodynamic. Hindi nila isinasaalang-alang ang likas na katangian ng mga partikular na sangkap at hindi batay sa anumang mga ideya ng modelo tungkol sa atomic at molekular na istraktura ng mga sangkap. Ang ganitong mga pamamaraan ay karaniwang tinatawag na phenomenological, iyon ay, ang pagtatatag ng mga ugnayan sa pagitan ng mga naobserbahang dami.
- Istatistika. Nakabatay ang mga ito sa istruktura ng matter at quantum effect, nagbibigay-daan sa paglalarawan ng gawi ng mga system batay sa pagsusuri ng mga prosesong nagaganap sa antas ng mga atomo at ang kanilang mga bumubuong particle.
Ang parehong mga diskarteng ito ay may kanilang mga pakinabang at disadvantage.
| Paraan | Dignidad | Flaws |
| Thermodynamic | Dahil sa malakiang pangkalahatan ay medyo simple at hindi nangangailangan ng karagdagang impormasyon, habang nilulutas ang mga partikular na problema | Hindi isiniwalat ang mekanismo ng proseso |
| Statistical | Nakakatulong na maunawaan ang kakanyahan at mekanismo ng phenomenon, dahil nakabatay ito sa mga ideya tungkol sa mga atom at molekula | Nangangailangan ng masusing paghahanda at maraming kaalaman |
Mga pangunahing konsepto ng chemical thermodynamics
Ang sistema ay anumang materyal na macroscopic object ng pag-aaral, na nakahiwalay sa panlabas na kapaligiran, at ang hangganan ay maaaring maging totoo at haka-haka.
Mga uri ng system:
- sarado (sarado) - nailalarawan sa pamamagitan ng pare-pareho ng kabuuang masa, walang pagpapalitan ng bagay sa kapaligiran, gayunpaman, ang pagpapalitan ng enerhiya ay posible;
- bukas - nagpapalitan ng enerhiya at bagay sa kapaligiran;
- isolated - hindi nagpapalit ng enerhiya (init, trabaho) o bagay sa panlabas na kapaligiran, habang ito ay may pare-parehong volume;
- adiabatic-isolated - hindi lamang heat exchange sa kapaligiran, ngunit maaaring iugnay sa trabaho.
Ang mga konsepto ng thermal, mechanical at diffusion contact ay ginagamit upang ipahiwatig ang paraan ng pagpapalitan ng enerhiya at bagay.
Ang
System state parameters ay anumang nasusukat na macrocharacteristics ng system state. Maaari silang maging:
- matinding - hindi nakasalalay sa masa (temperatura, presyon);
- extensive (capacitive) - proporsyonal sa masa ng substance (volume,kapasidad ng init, masa).
Ang lahat ng parameter na ito ay hiniram ng chemical thermodynamics mula sa physics at chemistry, ngunit nakakakuha ng bahagyang naiibang content, dahil isinasaalang-alang ang mga ito depende sa temperatura. Dahil sa halagang ito, magkakaugnay ang iba't ibang property.
Ang
Equilibrium ay isang estado ng isang sistema kung saan ito ay nasa ilalim ng pare-parehong panlabas na mga kondisyon at nailalarawan sa pamamagitan ng isang pansamantalang pagbabago ng mga thermodynamic na parameter, pati na rin ang kawalan ng materyal at init na dumadaloy dito. Para sa estadong ito, ang patuloy na presyon, temperatura at potensyal na kemikal ay sinusunod sa buong volume ng system.
Mga proseso ng equilibrium at hindi equilibrium
Ang prosesong thermodynamic ay sumasakop sa isang espesyal na lugar sa sistema ng mga pangunahing konsepto ng kemikal na thermodynamics. Ito ay tinukoy bilang mga pagbabago sa estado ng system, na nailalarawan sa pamamagitan ng mga pagbabago sa isa o higit pang mga thermodynamic na parameter.
Ang mga pagbabago sa estado ng system ay posible sa ilalim ng iba't ibang kundisyon. Sa pagsasaalang-alang na ito, ang isang pagkakaiba ay ginawa sa pagitan ng equilibrium at non-equilibrium na mga proseso. Ang proseso ng equilibrium (o quasi-static) ay itinuturing bilang isang serye ng mga estado ng equilibrium ng isang system. Sa kasong ito, ang lahat ng mga parameter nito ay nagbabago nang walang katapusan nang mabagal. Para maganap ang naturang proseso, dapat matugunan ang ilang kundisyon:
- Walang katapusang maliit na pagkakaiba sa mga halaga ng kumikilos at magkasalungat na puwersa (panloob at panlabas na presyon, atbp.).
- Walang katapusang mabagal na bilis ng proseso.
- Maximum na trabaho.
- Ang isang napakaliit na pagbabago sa panlabas na puwersa ay nagbabago sa direksyon ng daloybaligtarin ang proseso.
- Ang mga halaga ng gawain ng direkta at baligtad na mga proseso ay pantay, at ang kanilang mga landas ay pareho.
Ang proseso ng pagpapalit ng di-equilibrium na estado ng system sa equilibrium ay tinatawag na relaxation, at ang tagal nito ay tinatawag na relaxation time. Sa chemical thermodynamics, ang pinakamalaking halaga ng oras ng pagpapahinga para sa anumang proseso ay kadalasang kinukuha. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang mga tunay na sistema ay madaling umalis sa estado ng equilibrium kasama ng mga umuusbong na daloy ng enerhiya at/o bagay sa system at hindi equilibrium.
Mababalik at hindi maibabalik na mga proseso
Reversible thermodynamic process ay ang paglipat ng isang system mula sa isa sa mga estado nito patungo sa isa pa. Maaari itong dumaloy hindi lamang sa pasulong na direksyon, kundi pati na rin sa kabaligtaran na direksyon, bukod pa rito, sa parehong mga intermediate na estado, habang walang mga pagbabago sa kapaligiran.
Ang hindi maibabalik ay isang proseso kung saan imposible ang paglipat ng system mula sa isang estado patungo sa isa pa, hindi sinamahan ng mga pagbabago sa kapaligiran.
Ang mga hindi maibabalik na proseso ay:
- paglipat ng init sa may hangganang pagkakaiba sa temperatura;
- pagpapalawak ng gas sa vacuum, dahil walang ginagawa sa panahon nito, at imposibleng i-compress ang gas nang hindi ito ginagawa;
- diffusion, dahil pagkatapos alisin ang mga gas ay madaling magkakalat, at imposible ang reverse process nang hindi gumagawa.
Iba pang uri ng mga prosesong thermodynamic
Paikot na proseso (cycle) ay isang proseso, habangna kung saan ang system ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagbabago sa mga katangian nito, at sa dulo nito ay bumalik sa mga orihinal na halaga nito.
Depende sa mga halaga ng temperatura, volume at pressure na nagpapakilala sa proseso, ang mga sumusunod na uri ng proseso ay nakikilala sa chemical thermodynamics:
- Isothermal (T=const).
- Isobaric (P=const).
- Isochoric (V=const).
- Adiabatic (Q=const).
Ang mga batas ng chemical thermodynamics
Bago isaalang-alang ang mga pangunahing postulate, kinakailangang tandaan ang kakanyahan ng mga dami na nagpapakilala sa estado ng iba't ibang sistema.
Ang panloob na enerhiya U ng isang sistema ay nauunawaan bilang stock ng enerhiya nito, na binubuo ng mga energies ng paggalaw at interaksyon ng mga particle, iyon ay, lahat ng uri ng enerhiya maliban sa kinetic energy at potensyal na enerhiya ng posisyon nito. Tukuyin ang pagbabago nito ∆U.
Ang enthalpy H ay madalas na tinatawag na enerhiya ng pinalawak na sistema, gayundin ang nilalaman ng init nito. H=U+pV.
Ang
Heat Q ay isang hindi maayos na paraan ng paglipat ng enerhiya. Ang panloob na init ng system ay itinuturing na positibo (Q > 0) kung ang init ay nasisipsip (endothermic na proseso). Ito ay negatibo (Q < 0) kung ang init ay ilalabas (exothermic na proseso).
Ang
Work A ay isang nakaayos na paraan ng paglipat ng enerhiya. Ito ay itinuturing na positibo (A>0) kung ito ay ginagawa ng system laban sa mga panlabas na puwersa, at negatibo (A<0) kung ito ay ginawa ng mga panlabas na puwersa sa system.
Ang pangunahing postulate ay ang unang batas ng thermodynamics. marami namankanyang mga formulations, kung saan ang mga sumusunod ay maaaring makilala: "Ang paglipat ng enerhiya mula sa isang uri patungo sa isa pa ay nangyayari sa mahigpit na katumbas na dami."
Kung ang system ay gumawa ng isang paglipat mula sa estado 1 hanggang sa estado 2, na sinamahan ng pagsipsip ng init Q, na, naman, ay ginugol sa pagbabago ng panloob na enerhiya ∆U at paggawa ng trabaho A, kung gayon sa matematika ang postulate na ito ay isinulat ng mga equation: Q=∆U +A o δQ=dU + δA.
Ang pangalawang batas ng thermodynamics, tulad ng una, ay hindi hinango sa teorya, ngunit may katayuan ng isang postulate. Gayunpaman, ang pagiging maaasahan nito ay nakumpirma ng mga kahihinatnan nito na naaayon sa mga eksperimentong obserbasyon. Sa pisikal na kimika, ang sumusunod na pormulasyon ay mas karaniwan: "Para sa anumang nakahiwalay na sistema na wala sa isang estado ng ekwilibriyo, ang entropy ay tumataas sa paglipas ng panahon, at ang paglago nito ay nagpapatuloy hanggang sa ang sistema ay pumasok sa isang estado ng ekwilibriyo."
Mathematically, itong postulate ng chemical thermodynamics ay may anyo: dSisol≧0. Ang inequality sign sa kasong ito ay nagsasaad ng non-equilibrium state, at ang "=" sign ay nagpapahiwatig ng equilibrium.
