Sommige elementen van de grondbeginselen van de chemische thermodynamica beginnen op de middelbare school te worden overwogen. In scheikundelessen komen studenten voor het eerst concepten tegen als omkeerbare en onomkeerbare processen, chemisch evenwicht, thermisch effect en vele andere. Van de cursus natuurkunde op school leren ze over interne energie, werk, potentiëlen en maken ze zelfs kennis met de eerste wet van de thermodynamica.
Definitie van thermodynamica
Studenten van universiteiten en hogescholen met specialisaties in de chemische technologie bestuderen de thermodynamica in detail in het kader van fysische en/of colloïdale chemie. Dit is een van de fundamentele onderwerpen, waarvan het begrip u in staat stelt de berekeningen uit te voeren die nodig zijn voor de ontwikkeling van nieuwe technologische productielijnen en apparatuur daarvoor, en problemen in bestaande technologische schema's op te lossen.
Chemische thermodynamica wordt gewoonlijk een van de takken van de fysische chemie genoemd die chemische macrosystemen en aanverwante processen bestudeert op basis van de algemene wetten over de omzetting van warmte, arbeid en energie in elkaar.
Het is gebaseerd op drie postulaten, die vaak de principes van de thermodynamica worden genoemd. Ze hebben nietwiskundige basis, maar zijn gebaseerd op de veralgemening van experimentele gegevens die door de mensheid zijn verzameld. Uit deze wetten, die de basis vormen van de beschrijving van de omringende wereld, worden talloze consequenties afgeleid.
Taken
De belangrijkste taken van de chemische thermodynamica zijn:
- een grondige studie, evenals een uitleg van de belangrijkste patronen die de richting van chemische processen bepalen, hun snelheid, de omstandigheden die ze beïnvloeden (omgeving, onzuiverheden, straling, enz.);
- berekening van het energie-effect van een chemisch of fysisch-chemisch proces;
- detectie van omstandigheden voor de maximale opbrengst aan reactieproducten;
- bepaling van criteria voor de evenwichtstoestand van verschillende thermodynamische systemen;
- vaststelling van de noodzakelijke criteria voor de spontane stroom van een bepaald fysisch en chemisch proces.
Object en object
Dit deel van de wetenschap is niet bedoeld om de aard of het mechanisme van een chemisch fenomeen te verklaren. Ze is alleen geïnteresseerd in de energiekant van de lopende processen. Daarom kan het onderwerp chemische thermodynamica energie worden genoemd en de wetten van energieomzetting in de loop van chemische reacties, het oplossen van stoffen tijdens verdamping en kristallisatie.
Deze wetenschap maakt het mogelijk om precies vanuit de energetische kant van de kwestie te beoordelen of deze of gene reactie onder bepaalde omstandigheden kan verlopen.
De objecten van zijn studie worden warmtebalansen van fysische en chemische processen genoemd, faseovergangen en chemische evenwichten. En alleen in macroscopische systemen, dat wil zeggen systemen die uit een enorm aantal deeltjes bestaan.
Methoden
Thermodynamische sectie van de fysische chemie gebruikt theoretische (berekening) en praktische (experimentele) methoden om de belangrijkste problemen op te lossen. Met de eerste groep methoden kunt u verschillende eigenschappen kwantitatief met elkaar in verband brengen en sommige ervan berekenen op basis van de experimentele waarden van anderen, met behulp van de principes van de thermodynamica. De wetten van de kwantummechanica helpen om de manieren van beschrijven en kenmerken van de beweging van deeltjes vast te stellen, om de grootheden die ze kenmerken te verbinden met de fysieke parameters die in de loop van experimenten zijn bepaald.
Onderzoeksmethoden van chemische thermodynamica zijn onderverdeeld in twee groepen:
- Thermodynamisch. Ze houden geen rekening met de aard van specifieke stoffen en zijn niet gebaseerd op modelideeën over de atomaire en moleculaire structuur van stoffen. Dergelijke methoden worden gewoonlijk fenomenologisch genoemd, dat wil zeggen het leggen van verbanden tussen waargenomen grootheden.
- Statistisch. Ze zijn gebaseerd op de structuur van materie en kwantumeffecten, waardoor het gedrag van systemen kan worden beschreven op basis van de analyse van processen die plaatsvinden op het niveau van atomen en hun samenstellende deeltjes.
Beide benaderingen hebben hun voor- en nadelen.
| Methode | Waardigheid | Flaws |
| Thermodynamisch | Vanwege de grotealgemeenheid is vrij eenvoudig en vereist geen aanvullende informatie, terwijl specifieke problemen worden opgelost | Onthult het procesmechanisme niet |
| Statistisch | Helpt de essentie en het mechanisme van het fenomeen te begrijpen, omdat het gebaseerd is op ideeën over atomen en moleculen | Vereist een grondige voorbereiding en een grote hoeveelheid kennis |
Basisconcepten van chemische thermodynamica
Een systeem is elk materieel macroscopisch studieobject, geïsoleerd van de externe omgeving, en de grens kan zowel reëel als denkbeeldig zijn.
Soorten systemen:
- gesloten (gesloten) - gekenmerkt door de constantheid van de totale massa, er is geen uitwisseling van materie met de omgeving, maar energie-uitwisseling is mogelijk;
- open - wisselt zowel energie als materie uit met de omgeving;
- geïsoleerd - wisselt geen energie (warmte, werk) of materie uit met de externe omgeving, terwijl het een constant volume heeft;
- adiabatisch geïsoleerd - heeft niet alleen warmte-uitwisseling met de omgeving, maar kan ook worden geassocieerd met werk.
De concepten van thermische, mechanische en diffusiecontacten worden gebruikt om de methode van energie- en materieuitwisseling aan te geven.
Systeemstatusparameters zijn alle meetbare macrokenmerken van de systeemstatus. Ze kunnen zijn:
- intense - onafhankelijk van massa (temperatuur, druk);
- extensief (capacitief) - evenredig met de massa van de stof (volume,warmtecapaciteit, massa).
Al deze parameters zijn geleend door de chemische thermodynamica uit de natuurkunde en scheikunde, maar krijgen een iets andere inhoud, omdat ze worden beschouwd als afhankelijk van de temperatuur. Het is dankzij deze waarde dat de verschillende eigenschappen met elkaar verbonden zijn.
Evenwicht is een toestand van een systeem waarin het onder constante externe omstandigheden komt en wordt gekenmerkt door een tijdelijke constantheid van thermodynamische parameters, evenals de afwezigheid van materiaal- en warmtestromen erin. Voor deze toestand wordt de constantheid van druk, temperatuur en chemische potentiaal waargenomen in het gehele volume van het systeem.
Equilibrium en niet-evenwichtsprocessen
Het thermodynamische proces neemt een speciale plaats in in het systeem van basisconcepten van de chemische thermodynamica. Het wordt gedefinieerd als veranderingen in de toestand van het systeem, die worden gekenmerkt door veranderingen in een of meer thermodynamische parameters.
Wijzigingen in de toestand van het systeem zijn mogelijk onder verschillende omstandigheden. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen evenwichts- en niet-evenwichtsprocessen. Een evenwichts- (of quasi-statisch) proces wordt beschouwd als een reeks evenwichtstoestanden van een systeem. In dit geval veranderen alle parameters oneindig langzaam. Om een dergelijk proces te laten plaatsvinden, moet aan een aantal voorwaarden worden voldaan:
- Oneindig klein verschil in de waarden van werkende en tegengestelde krachten (interne en externe druk, enz.).
- Oneindig lage snelheid van het proces.
- Maximum werk.
- Een oneindig kleine verandering in externe kracht verandert de richting van de stroomomgekeerd proces.
- De waarden van het werk van directe en omgekeerde processen zijn gelijk, en hun paden zijn hetzelfde.
Het proces van het veranderen van de niet-evenwichtstoestand van het systeem in evenwicht wordt ontspanning genoemd, en de duur ervan wordt ontspanningstijd genoemd. In de chemische thermodynamica wordt vaak de grootste waarde van de relaxatietijd voor elk proces genomen. Dit komt door het feit dat echte systemen gemakkelijk de evenwichtstoestand verlaten met de opkomende stromen van energie en/of materie in het systeem en niet in evenwicht zijn.
Omkeerbare en onomkeerbare processen
Omkeerbaar thermodynamisch proces is de overgang van een systeem van de ene toestand naar de andere. Het kan niet alleen in de voorwaartse richting stromen, maar ook in de tegenovergestelde richting, bovendien door dezelfde tussenliggende toestanden, terwijl er geen veranderingen in de omgeving zijn.
Onomkeerbaar is een proces waarbij de overgang van het systeem van de ene toestand naar de andere onmogelijk is, en niet gepaard gaat met veranderingen in de omgeving.
Onomkeerbare processen zijn:
- warmteoverdracht bij eindig temperatuurverschil;
- expansie van een gas in een vacuüm, aangezien er geen werk wordt gedaan tijdens het, en het is onmogelijk om het gas samen te persen zonder het te doen;
- diffusie, aangezien de gassen na verwijdering gemakkelijk onderling diffunderen, en het omgekeerde proces is onmogelijk zonder werk.
Andere soorten thermodynamische processen
Circulair proces (cyclus) is zo'n proces, tijdenswaarbij het systeem werd gekenmerkt door een verandering in zijn eigenschappen, en aan het einde daarvan terugkeerde naar zijn oorspronkelijke waarden.
Afhankelijk van de waarden van temperatuur, volume en druk die het proces karakteriseren, worden de volgende soorten processen onderscheiden in de chemische thermodynamica:
- Isotherm (T=const).
- Isobaar (P=const).
- Isochoric (V=const).
- Adiabatisch (Q=const).
De wetten van de chemische thermodynamica
Alvorens de belangrijkste postulaten in overweging te nemen, is het noodzakelijk om de essentie te onthouden van de grootheden die de toestand van verschillende systemen kenmerken.
De interne energie U van een systeem wordt opgevat als de voorraad van zijn energie, die bestaat uit de energieën van beweging en interactie van deeltjes, dat wil zeggen alle soorten energie behalve kinetische energie en zijn potentiële positie-energie. Bepaal de verandering ∆U.
Enthalpie H wordt vaak de energie van het geëxpandeerde systeem genoemd, evenals de warmte-inhoud. H=U+pV.
Heat Q is een ongeordende vorm van energieoverdracht. De interne warmte van het systeem wordt als positief beschouwd (Q > 0) als warmte wordt geabsorbeerd (endotherm proces). Het is negatief (Q < 0) als er warmte vrijkomt (exotherm proces).
Werk A is een geordende vorm van energieoverdracht. Het wordt als positief beschouwd (A>0) als het wordt uitgevoerd door het systeem tegen externe krachten, en negatief (A<0) als het wordt uitgevoerd door externe krachten op het systeem.
Het basispostulaat is de eerste wet van de thermodynamica. Er zijn veelzijn formuleringen, waaronder het volgende kan worden onderscheiden: "De overgang van energie van het ene type naar het andere vindt plaats in strikt equivalente hoeveelheden."
Als het systeem een overgang maakt van toestand 1 naar toestand 2, vergezeld van de absorptie van warmte Q, die op zijn beurt wordt besteed aan het veranderen van de interne energie ∆U en het doen van werk A, dan is dit postulaat wiskundig gezien geschreven door de vergelijkingen: Q=∆U +A of δQ=dU + δA.
De tweede wet van de thermodynamica is, net als de eerste, niet theoretisch afgeleid, maar heeft de status van een postulaat. De betrouwbaarheid ervan wordt echter bevestigd door de gevolgen ervan die overeenkomen met experimentele waarnemingen. In de fysische chemie komt de volgende formulering vaker voor: "Voor elk geïsoleerd systeem dat zich niet in een evenwichtstoestand bevindt, neemt de entropie met de tijd toe en de groei gaat door totdat het systeem een evenwichtstoestand bereikt."
Wiskundig gezien heeft dit postulaat van de chemische thermodynamica de vorm: dSisol≧0. Het ongelijkheidsteken geeft in dit geval de niet-evenwichtstoestand aan en het "="-teken geeft evenwicht aan.
