A kémiai termodinamika alapjainak egyes elemeit már a középiskolában kezdik figyelembe venni. A kémiaórákon a diákok először találkoznak olyan fogalmakkal, mint a reverzibilis és irreverzibilis folyamatok, a kémiai egyensúly, a termikus hatás és még sok más. Az iskolai fizika tantárgyból megismerkednek a belső energiával, munkával, potenciálokkal, sőt még a termodinamika első főtételével is megismerkednek.
A termodinamika definíciója
Egyetemek és vegyészmérnöki szakos főiskolák hallgatói a termodinamikát részletesen tanulják fizikai és/vagy kolloidkémia keretein belül. Ez az egyik alapvető tantárgy, amelynek megértése lehetővé teszi az új technológiai gyártósorok és berendezések fejlesztéséhez szükséges számítások elvégzését, a meglévő technológiai sémákban felmerülő problémák megoldását.
A kémiai termodinamikát általában a fizikai kémia egyik ágának nevezik, amely a kémiai makrorendszereket és a kapcsolódó folyamatokat vizsgálja a hő, a munka és az energia egymásba való átalakulásának általános törvényei alapján.
Három posztulátumon alapul, amelyeket gyakran a termodinamika alapelveinek neveznek. Nekik nincsmatematikai alapon, hanem az emberiség által felhalmozott kísérleti adatok általánosításán alapulnak. Számos következmény származik ezekből a törvényekből, amelyek a környező világ leírásának alapját képezik.
Feladatok
A kémiai termodinamika fő feladatai a következők:
- alapos tanulmányozás, valamint a kémiai folyamatok irányát, sebességét, az azokat befolyásoló körülményeket (környezet, szennyeződések, sugárzás stb.) meghatározó legfontosabb minták magyarázata;
- bármely kémiai vagy fizikai-kémiai folyamat energiahatásának kiszámítása;
- a reakciótermékek maximális hozamának feltételeinek meghatározása;
- különböző termodinamikai rendszerek egyensúlyi állapotának kritériumainak meghatározása;
- egy adott fizikai és kémiai folyamat spontán lefolyásához szükséges kritériumok megállapítása.
Tárgy és objektum
A tudomány ezen szakaszának nem célja egyetlen kémiai jelenség természetének vagy mechanizmusának magyarázata. Csak a folyamatban lévő folyamatok energetikai oldala érdekli. Ezért a kémiai termodinamika tárgyát nevezhetjük energiának és a kémiai reakciók során bekövetkező energiaátalakítás törvényei, az anyagok párolgás és kristályosodás során történő feloldódása.
Ez a tudomány pontosan a kérdés energetikai oldaláról teszi lehetővé annak megítélését, hogy ez vagy az a reakció képes-e bizonyos körülmények között lezajlani.
A vizsgálat tárgyait fizikai és kémiai folyamatok hőmérlegének nevezzük, fázisátmenetek és kémiai egyensúlyok. És csak makroszkopikus rendszerekben, vagyis olyanokban, amelyek hatalmas számú részecskéből állnak.
Módszerek
A fizikai kémia termodinamikai része elméleti (számítási) és gyakorlati (kísérleti) módszereket alkalmaz főbb problémáinak megoldására. A módszerek első csoportja lehetővé teszi a különböző tulajdonságok mennyiségi viszonyítását, és ezek egy részének kiszámítását mások kísérleti értékei alapján, a termodinamika elvei alapján. A kvantummechanika törvényei segítik a részecskék mozgásának leírási módjait, jellemzőit megállapítani, az azokat jellemző mennyiségeket összekapcsolni a kísérletek során meghatározott fizikai paraméterekkel.
A kémiai termodinamika kutatási módszerei két csoportra oszthatók:
- Termodinamikai. Nem veszik figyelembe az egyes anyagok természetét, és nem alapulnak az anyagok atomi és molekuláris szerkezetére vonatkozó modellelképzeléseken. Az ilyen módszereket általában fenomenológiainak nevezik, vagyis a megfigyelt mennyiségek közötti kapcsolatok megállapítására.
- Statisztikai. Az anyag szerkezetén és a kvantumhatásokon alapulnak, lehetővé teszik a rendszerek viselkedésének leírását az atomok és az őket alkotó részecskék szintjén lezajló folyamatok elemzése alapján.
Mindkét megközelítésnek megvannak a maga előnyei és hátrányai.
| Módszer | Méltóság | Hibák |
| Termodinamikai | A nagy miattAz általánosság meglehetősen egyszerű, és nem igényel további információkat, miközben konkrét problémákat old meg | Nem fedi fel a folyamat mechanizmusát |
| Statisztikai | Segít megérteni a jelenség lényegét és mechanizmusát, mivel az atomokról és molekulákról alkotott elképzeléseken alapul | Alapos felkészülést és nagy mennyiségű tudást igényel |
A kémiai termodinamika alapfogalmai
A rendszer bármilyen anyagi makroszkopikus vizsgálati tárgy, amely el van zárva a külső környezettől, és a határ lehet valós és képzeletbeli is.
Rendszertípusok:
- zárt (zárt) - a teljes tömeg állandósága jellemzi, nincs anyagcsere a környezettel, viszont lehetséges az energiacsere;
- nyílt - energiát és anyagot is cserél a környezettel;
- szigetelt - nem cserél energiát (hőt, munkát) vagy anyagot a külső környezettel, miközben állandó térfogatú;
- adiabatikusan szigetelt - nemcsak a környezettel van hőcseréje, hanem a munkához is köthető.
A termikus, mechanikai és diffúziós érintkezők fogalma az energia- és anyagcsere módjának jelzésére szolgál.
A rendszerállapot-paraméterek a rendszerállapot bármely mérhető makrokarakterisztikája. Ezek lehetnek:
- intenzív - független a tömegtől (hőmérséklet, nyomás);
- kiterjedt (kapacitív) - arányos az anyag tömegével (térfogat,hőkapacitás, tömeg).
Ezeket a paramétereket a kémiai termodinamika a fizikából és a kémiából kölcsönözte, de némileg eltérő tartalmat kapnak, mivel a hőmérséklet függvényében veszik őket figyelembe. Ennek az értéknek köszönhető, hogy a különböző tulajdonságok összekapcsolódnak.
Az egyensúly egy rendszer olyan állapota, amelyben állandó külső körülmények között van, és a termodinamikai paraméterek átmeneti állandósága, valamint az anyag- és hőáramlás hiánya jellemzi. Ennél az állapotnál a nyomás, a hőmérséklet és a kémiai potenciál állandósága a rendszer teljes térfogatában megfigyelhető.
Egyensúlyi és nem egyensúlyi folyamatok
A termodinamikai folyamat különleges helyet foglal el a kémiai termodinamika alapfogalmak rendszerében. Ez a rendszer állapotának változása, amelyet egy vagy több termodinamikai paraméter változása jellemez.
A rendszer állapotának változása különböző feltételek mellett lehetséges. E tekintetben különbséget tesznek az egyensúlyi és a nem egyensúlyi folyamatok között. Egy egyensúlyi (vagy kvázistatikus) folyamatot egy rendszer egyensúlyi állapotainak sorozatának tekintünk. Ebben az esetben minden paramétere végtelenül lassan változik. Egy ilyen folyamathoz számos feltételnek teljesülnie kell:
- Végtelenül kicsi különbség a ható és ellentétes erők értékében (belső és külső nyomás stb.).
- A folyamat végtelenül lassú.
- Maximális munka.
- A külső erő végtelenül csekély változása megváltoztatja az áramlás irányátfordított folyamat.
- A direkt és a fordított folyamatok munkájának értékei egyenlőek, útjaik azonosak.
A rendszer nem egyensúlyi állapotának egyensúlyba hozásának folyamatát relaxációnak, időtartamát pedig relaxációs időnek nevezzük. A kémiai termodinamikában gyakran minden folyamathoz a relaxációs idő legnagyobb értékét veszik. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a valódi rendszerek könnyen elhagyják az egyensúlyi állapotot a rendszerben megjelenő energia- és/vagy anyagáramokkal, és nem egyensúlyiak.
Reverzibilis és visszafordíthatatlan folyamatok
Reverzibilis termodinamikai folyamat egy rendszer átmenete egyik állapotából a másikba. Nemcsak előre, hanem ellenkező irányba is tud áramolni, ráadásul ugyanazokon a köztes állapotokon keresztül, miközben a környezetben nem lesz változás.
A visszafordíthatatlan olyan folyamat, amelynek során a rendszer egyik állapotból a másikba való átmenete lehetetlen, és nem kíséri a környezet változása.
A visszafordíthatatlan folyamatok a következők:
- hőátadás véges hőmérséklet-különbségnél;
- gáz tágulása vákuumban, mivel közben nem történik munka, és a gáz összenyomása sem lehetséges anélkül;
- diffúzió, mivel eltávolítás után a gázok könnyen szétdiffundálnak egymással, és a fordított folyamat munka nélkül lehetetlen.
Egyéb típusú termodinamikai folyamatok
A körkörös folyamat (ciklus) egy ilyen folyamat, közbenamelyre a rendszert a tulajdonságainak megváltozása jellemezte, és a végén visszaállt az eredeti értékekre.
A folyamatot jellemző hőmérséklet, térfogat és nyomás értékektől függően a következő folyamattípusokat különböztetjük meg a kémiai termodinamikában:
- Izotermikus (T=állandó).
- Izobár (P=állandó).
- Izokór (V=állandó).
- Adiabatikus (Q=állandó).
A kémiai termodinamika törvényei
Mielőtt a főbb posztulátumokat figyelembe vennénk, emlékeznünk kell a különböző rendszerek állapotát jellemző mennyiségek lényegére.
Egy rendszer U belső energiája alatt a rendszer energiájának készletét értjük, amely a részecskék mozgási és kölcsönhatási energiáiból áll, vagyis minden energiatípusból, kivéve a mozgási energiát és annak potenciális pozícióenergiáját.. Határozza meg változását ∆U.
A H entalpiát gyakran a kiterjesztett rendszer energiájának, valamint hőtartalmának nevezik. H=U+pV.
A Q hő az energiaátvitel rendezetlen formája. A rendszer belső hője akkor tekinthető pozitívnak (Q > 0), ha hő elnyelődik (endoterm folyamat). Negatív (Q < 0), ha hő szabadul fel (exoterm folyamat).
Az A munka az energiaátvitel rendezett formája. Pozitívnak (A>0) tekintendő, ha a rendszer külső erőkkel szemben hajtja végre, és negatívnak (A<0), ha külső erők hajtják végre a rendszeren.
Az alapvető posztulátum a termodinamika első főtétele. Sokan vannakmegfogalmazásai, amelyek között a következők különböztethetők meg: "Az energia átmenet egyik típusból a másikba szigorúan egyenértékű mennyiségben megy végbe."
Ha a rendszer áttér az 1-es állapotból a 2-es állapotba, Q hő elnyelésével, ami viszont a ∆U belső energia megváltoztatására és az A munka elvégzésére fordítódik, akkor matematikailag ez a posztulátum a következő egyenletekkel írva: Q=∆U +A vagy δQ=dU + δA.
A termodinamika második főtétele az elsőhöz hasonlóan nem elméletileg származik, hanem posztulátum státusza van. Megbízhatóságát azonban a kísérleti megfigyeléseknek megfelelő következményei igazolják. A fizikai kémiában a következő megfogalmazás gyakoribb: "Minden olyan elszigetelt rendszer esetében, amely nincs egyensúlyi állapotban, az entrópia idővel növekszik, és növekedése addig tart, amíg a rendszer egyensúlyi állapotba nem kerül."
Matematikailag a kémiai termodinamika e posztulátuma a következő: dSisol≧0. Az egyenlőtlenség jel ebben az esetben a nem egyensúlyi állapotot jelöli, az "=" jel pedig az egyensúlyt.
