Niektoré prvky základov chemickej termodynamiky sa začínajú brať do úvahy už na strednej škole. Na hodinách chémie sa žiaci po prvý raz stretávajú s pojmami ako vratné a nevratné procesy, chemická rovnováha, tepelný efekt a mnohé ďalšie. Zo školského kurzu fyziky sa učia o vnútornej energii, práci, potenciáloch a dokonca sa zoznámia s prvým zákonom termodynamiky.
Definícia termodynamiky
Študenti univerzít a vysokých škôl chemicko-inžinierskych odborov podrobne študujú termodynamiku v rámci fyzikálnej a/alebo koloidnej chémie. Toto je jeden zo základných predmetov, ktorého porozumenie vám umožňuje vykonávať výpočty potrebné na vývoj nových technologických výrobných liniek a zariadení pre ne, riešenie problémov v existujúcich technologických schémach.
Chemická termodynamika sa zvyčajne nazýva jedno z odvetví fyzikálnej chémie, ktoré študuje chemické makrosystémy a súvisiace procesy založené na všeobecných zákonoch o vzájomnej premene tepla, práce a energie.
Je založený na troch postulátoch, ktoré sa často nazývajú princípy termodynamiky. Nemajúmatematický základ, ale sú založené na zovšeobecnení experimentálnych údajov, ktoré ľudstvo nazhromaždilo. Z týchto zákonov, ktoré tvoria základ popisu okolitého sveta, vyplývajú mnohé dôsledky.
Úlohy
Hlavné úlohy chemickej termodynamiky zahŕňajú:
- dôkladná štúdia, ako aj vysvetlenie najdôležitejších zákonitostí, ktoré určujú smer chemických procesov, ich rýchlosť, podmienky, ktoré ich ovplyvňujú (životné prostredie, nečistoty, žiarenie atď.);
- výpočet energetického účinku akéhokoľvek chemického alebo fyzikálno-chemického procesu;
- detekcia podmienok pre maximálny výťažok reakčných produktov;
- určenie kritérií pre rovnovážny stav rôznych termodynamických systémov;
- stanovenie nevyhnutných kritérií pre samovoľný priebeh konkrétneho fyzikálneho a chemického procesu.
Objekt a objekt
Táto časť vedy si nekladie za cieľ vysvetliť povahu alebo mechanizmus akéhokoľvek chemického javu. Zaujíma ju len energetická stránka prebiehajúcich procesov. Preto možno predmet chemickej termodynamiky nazvať energia a zákony premeny energie pri chemických reakciách, rozpúšťanie látok pri vyparovaní a kryštalizácii.
Táto veda umožňuje posúdiť, či je tá alebo oná reakcia schopná prebiehať za určitých podmienok práve z energetickej stránky problému.
Predmetom jeho štúdia sa nazývajú tepelné bilancie fyzikálnych a chemických procesov, fázaprechody a chemické rovnováhy. A to len v makroskopických systémoch, teda takých, ktoré pozostávajú z obrovského množstva častíc.
Metódy
Termodynamická sekcia fyzikálnej chémie využíva teoretické (výpočtové) a praktické (experimentálne) metódy na riešenie svojich hlavných problémov. Prvá skupina metód vám umožňuje kvantitatívne spájať rôzne vlastnosti a vypočítať niektoré z nich na základe experimentálnych hodnôt iných pomocou princípov termodynamiky. Zákony kvantovej mechaniky pomáhajú stanoviť spôsoby popisu a vlastnosti pohybu častíc, spojiť veličiny, ktoré ich charakterizujú, s fyzikálnymi parametrami určenými v priebehu experimentov.
Výskumné metódy chemickej termodynamiky sa delia do dvoch skupín:
- Termodynamické. Nezohľadňujú povahu konkrétnych látok a nevychádzajú zo žiadnych modelových predstáv o atómovej a molekulárnej štruktúre látok. Takéto metódy sa zvyčajne nazývajú fenomenologické, to znamená, že stanovujú vzťahy medzi pozorovanými veličinami.
- Štatistické. Sú založené na štruktúre hmoty a kvantových efektoch, umožňujú popísať správanie systémov na základe analýzy procesov prebiehajúcich na úrovni atómov a ich častíc.
Oba tieto prístupy majú svoje výhody a nevýhody.
| Metóda | Dignity | Chyby |
| Termodynamický | Vzhľadom na veľkúvšeobecnosť je pomerne jednoduchá a nevyžaduje ďalšie informácie pri riešení konkrétnych problémov | Neodhaľuje mechanizmus procesu |
| Štatistické | Pomáha pochopiť podstatu a mechanizmus javu, keďže je založený na predstavách o atómoch a molekulách | Vyžaduje dôkladnú prípravu a veľké množstvo vedomostí |
Základné pojmy chemickej termodynamiky
Systém je akýkoľvek hmotný makroskopický objekt štúdia, izolovaný od vonkajšieho prostredia, pričom hranica môže byť skutočná aj imaginárna.
Typy systémov:
- uzavretý (uzavretý) - charakterizovaný stálosťou celkovej hmotnosti, nedochádza k výmene hmoty s okolím, je však možná výmena energie;
- otvorený – vymieňa energiu aj hmotu s prostredím;
- izolovaný - nevymieňa si energiu (teplo, prácu) ani hmotu s vonkajším prostredím, pričom má stály objem;
- adiabaticky izolovaný – nevymieňa si len teplo s okolím, ale môže byť spojený s prácou.
Koncepty tepelných, mechanických a difúznych kontaktov sa používajú na označenie spôsobu výmeny energie a hmoty.
Parametre stavu systému sú akékoľvek merateľné makrocharakteristiky stavu systému. Môžu byť:
- intenzívne – nezávislé od hmotnosti (teploty, tlaku);
- extenzívny (kapacitný) - úmerný hmotnosti látky (objemu,tepelná kapacita, hmotnosť).
Všetky tieto parametre preberá chemická termodynamika z fyziky a chémie, ale nadobúdajú trochu iný obsah, pretože sa zohľadňujú v závislosti od teploty. Práve vďaka tejto hodnote sú rôzne vlastnosti prepojené.
Rovnováha je stav systému, v ktorom sa nachádza v konštantných vonkajších podmienkach a je charakterizovaný dočasnou stálosťou termodynamických parametrov, ako aj absenciou materiálových a tepelných tokov v ňom. Pre tento stav sa pozoruje stálosť tlaku, teploty a chemického potenciálu v celom objeme systému.
Rovnovážne a nerovnovážne procesy
Termodynamický proces zaujíma osobitné miesto v systéme základných pojmov chemickej termodynamiky. Je definovaný ako zmeny stavu systému, ktoré sú charakterizované zmenami jedného alebo viacerých termodynamických parametrov.
Zmeny v stave systému sú možné za rôznych podmienok. V tomto smere sa rozlišuje medzi rovnovážnymi a nerovnovážnymi procesmi. Rovnovážny (alebo kvázistatický) proces sa považuje za sériu rovnovážnych stavov systému. V tomto prípade sa všetky jeho parametre menia nekonečne pomaly. Aby sa takýto proces mohol uskutočniť, musí byť splnených niekoľko podmienok:
- Nekonečne malý rozdiel v hodnotách pôsobiacich a protiľahlých síl (vnútorný a vonkajší tlak atď.).
- Nekonečne nízka rýchlosť procesu.
- Maximálna práca.
- Nekonečne malá zmena vonkajšej sily mení smer prúdeniaopačný proces.
- Hodnoty práce priamych a spätných procesov sú rovnaké a ich cesty sú rovnaké.
Proces zmeny nerovnovážneho stavu systému na rovnovážny sa nazýva relaxácia a jeho trvanie sa nazýva relaxačný čas. V chemickej termodynamike sa často berie najväčšia hodnota relaxačného času pre akýkoľvek proces. Je to spôsobené tým, že reálne systémy ľahko opustia rovnovážny stav s vznikajúcimi tokmi energie a/alebo hmoty v systéme a sú nerovnovážne.
Reverzibilné a nezvratné procesy
Reverzibilný termodynamický proces je prechod systému z jedného z jeho stavov do druhého. Môže prúdiť nielen smerom dopredu, ale aj opačným smerom, navyše cez rovnaké medzistavy, pričom v prostredí nedôjde k žiadnym zmenám.
Nezvratný je proces, pri ktorom je prechod systému z jedného stavu do druhého nemožný, nesprevádzaný zmenami prostredia.
Nevratné procesy sú:
- prenos tepla pri konečnom teplotnom rozdiele;
- expanzia plynu vo vákuu, keďže sa pri nej nevykonáva žiadna práca a plyn nie je možné bez toho stlačiť;
- difúzia, pretože po odstránení sa plyny ľahko vzájomne rozptýlia a opačný proces nie je možný bez vykonania práce.
Iné typy termodynamických procesov
Kruhový proces (cyklus) je taký proces, počasktorý sa systém vyznačoval zmenou jeho vlastností a na konci sa vrátil k pôvodným hodnotám.
V závislosti od hodnôt teploty, objemu a tlaku charakterizujúcich proces sa v chemickej termodynamike rozlišujú tieto typy procesov:
- Izotermické (T=konštantná).
- Izobarické (P=konšt.).
- Izochorické (V=konšt.).
- Adiabatické (Q=const).
Zákony chemickej termodynamiky
Pred zvážením hlavných postulátov je potrebné pripomenúť si podstatu veličín charakterizujúcich stav rôznych systémov.
Vnútorná energia U systému sa chápe ako zásoba jeho energie, ktorá pozostáva z energií pohybu a interakcie častíc, teda všetkých druhov energie okrem kinetickej energie a jej potenciálnej energie polohy. Určite jeho zmenu ∆U.
Entalpia H sa často nazýva energia expandovaného systému, ako aj jeho tepelný obsah. H=U+pV.
Teplo Q je neusporiadaná forma prenosu energie. Vnútorné teplo systému sa považuje za pozitívne (Q > 0), ak sa teplo absorbuje (endotermický proces). Je záporná (Q < 0), ak sa uvoľní teplo (exotermický proces).
Práca A je riadená forma prenosu energie. Považuje sa za pozitívny (A>0), ak ho systém vykonáva proti vonkajším silám, a za negatívny (A<0), ak ho vykonávajú vonkajšie sily na systém.
Základným postulátom je prvý zákon termodynamiky. Je ich veľajeho formulácie, medzi ktorými možno rozlíšiť nasledovné: „Prechod energie z jedného typu na druhý prebieha v striktne ekvivalentných množstvách.“
Ak systém prechádza zo stavu 1 do stavu 2, sprevádzaný absorpciou tepla Q, ktoré sa zase vynakladá na zmenu vnútornej energie ∆U a vykonanie práce A, potom je tento postulát matematicky zapísané rovnicami: Q=∆U +A alebo δQ=dU + δA.
Druhý termodynamický zákon, podobne ako prvý, nie je odvodený teoreticky, ale má postavenie postulátu. Jeho spoľahlivosť však potvrdzujú dôsledky zodpovedajúce experimentálnym pozorovaniam. Vo fyzikálnej chémii je bežnejšia nasledujúca formulácia: „Pre každý izolovaný systém, ktorý nie je v rovnovážnom stave, sa entropia časom zvyšuje a jej rast pokračuje, kým sa systém nedostane do rovnovážneho stavu.“
Matematicky má tento postulát chemickej termodynamiky tvar: dSisol≧0. Znamienko nerovnosti v tomto prípade označuje nerovnovážny stav a znamienko "=" označuje rovnováhu.
