Kimyoviy termodinamika asoslarining ba'zi elementlari o'rta maktabda ko'rib chiqila boshlaydi. Kimyo darslarida talabalar birinchi marta qaytar va qaytmas jarayonlar, kimyoviy muvozanat, issiqlik effekti va boshqalar kabi tushunchalarga duch kelishadi. Maktab fizikasi kursidan ular ichki energiya, ish, potentsiallar haqida bilib oladilar va hatto termodinamikaning birinchi qonuni bilan tanishadilar.
Termodinamikaning ta'rifi
Kimyo muhandisligi ixtisosligi boʻyicha oliy oʻquv yurtlari va kollejlari talabalari fizik va/yoki kolloid kimyo doirasida termodinamikani batafsil oʻrganadilar. Bu fundamental fanlardan biri bo'lib, uni tushunish yangi texnologik ishlab chiqarish liniyalari va ular uchun uskunalarni ishlab chiqish, mavjud texnologik sxemalardagi muammolarni hal qilish uchun zarur hisob-kitoblarni amalga oshirish imkonini beradi.
Kimyoviy termodinamika odatda fizik kimyoning issiqlik, ish va energiyaning bir-biriga aylanishi haqidagi umumiy qonuniyatlarga asoslangan kimyoviy makrotizimlar va ular bilan bogʻliq jarayonlarni oʻrganuvchi sohalaridan biri deb ataladi.
U koʻpincha termodinamika tamoyillari deb ataladigan uchta postulatga asoslanadi. Ularda yo'qmatematik asos, lekin insoniyat tomonidan to'plangan eksperimental ma'lumotlarni umumlashtirishga asoslangan. Atrofdagi dunyoni tasvirlash uchun asos bo'lgan ushbu qonunlardan ko'plab oqibatlar kelib chiqadi.
Vazifalar
Kimyoviy termodinamikaning asosiy vazifalariga quyidagilar kiradi:
- to'liq o'rganish, shuningdek, kimyoviy jarayonlarning yo'nalishini, ularning tezligini, ularga ta'sir qiluvchi sharoitlarni (atrof-muhit, aralashmalar, radiatsiya va boshqalar) aniqlaydigan eng muhim qonuniyatlarni tushuntirish;
- har qanday kimyoviy yoki fizik-kimyoviy jarayonning energiya ta'sirini hisoblash;
- reaksiya mahsulotlarining maksimal rentabelligi uchun sharoitlarni aniqlash;
- turli termodinamik tizimlarning muvozanat holati mezonlarini aniqlash;
- muayyan fizik va kimyoviy jarayonning oʻz-oʻzidan oʻtishi uchun zarur mezonlarni belgilash.
Obyekt va obyekt
Fanning ushbu boʻlimi hech qanday kimyoviy hodisaning tabiati yoki mexanizmini tushuntirishni maqsad qilgan emas. U faqat davom etayotgan jarayonlarning energiya tomoni bilan qiziqadi. Shuning uchun kimyoviy termodinamikaning predmetini energiya va kimyoviy reaksiyalar jarayonida energiyaning aylanish qonunlari, bug'lanish va kristallanish jarayonida moddalarning erishi deb atash mumkin.
Ushbu fan masalaning energetik tomonidan kelib chiqib, u yoki bu reaksiya muayyan sharoitlarda borishga qodirligini aniqlash imkonini beradi.
Uni o'rganish ob'ektlari fizik va kimyoviy jarayonlarning issiqlik balanslari, fazalar deb ataladio'tishlar va kimyoviy muvozanat. Va faqat makroskopik tizimlarda, ya'ni juda ko'p miqdordagi zarrachalardan iborat.
Usullar
Fizik kimyoning termodinamik boʻlimi oʻzining asosiy masalalarini yechishda nazariy (hisoblash) va amaliy (eksperimental) usullardan foydalanadi. Birinchi guruh usullar turli xil xususiyatlarni miqdoriy jihatdan bog'lash va ularning ba'zilarini termodinamika tamoyillaridan foydalangan holda boshqalarning eksperimental qiymatlari asosida hisoblash imkonini beradi. Kvant mexanikasi qonunlari zarrachalar harakatining tavsiflash usullari va xususiyatlarini o'rnatishga, ularni xarakterlovchi kattaliklarni tajribalar jarayonida aniqlangan fizik parametrlar bilan bog'lashga yordam beradi.
Kimyoviy termodinamikaning tadqiqot usullari ikki guruhga bo'linadi:
- Termodinamik. Ular o'ziga xos moddalarning tabiatini hisobga olmaydilar va moddalarning atom va molekulyar tuzilishi haqidagi hech qanday namunaviy g'oyalarga asoslanmaydilar. Bunday usullar odatda fenomenologik, ya'ni kuzatilgan miqdorlar o'rtasidagi munosabatlarni o'rnatish deb ataladi.
- Statistik. Ular moddaning tuzilishi va kvant effektlariga asoslanadi, atomlar va ularni tashkil etuvchi zarrachalar darajasida sodir bo'ladigan jarayonlarni tahlil qilish asosida tizimlarning harakatini tavsiflashga imkon beradi.
Ushbu yondashuvlarning ikkalasi ham oʻzining afzalliklari va kamchiliklariga ega.
| Usul | Qadr-qimmat | Kamchiliklar |
| Termodinamik | Katta tufayliumumiylik juda oddiy va aniq muammolarni hal qilishda qo'shimcha ma'lumot talab qilmaydi | Jarayon mexanizmini oshkor qilmaydi |
| Statistik | Hodisaning mohiyati va mexanizmini tushunishga yordam beradi, chunki u atomlar va molekulalar haqidagi gʻoyalarga asoslangan | Perkan tayyorgarlik va katta bilim talab qiladi |
Kimyoviy termodinamikaning asosiy tushunchalari
Tizim tashqi muhitdan ajratilgan har qanday moddiy makroskopik tadqiqot ob'ekti bo'lib, chegara ham real, ham xayoliy bo'lishi mumkin.
Tizim turlari:
- yopiq (yopiq) - umumiy massaning doimiyligi bilan tavsiflanadi, atrof-muhit bilan moddalar almashinuvi yo'q, ammo energiya almashinuvi mumkin;
- ochiq - atrof-muhit bilan energiya va materiya almashadi;
- izolyatsiyalangan - tashqi muhit bilan energiya (issiqlik, ish) yoki materiya almashmaydi, shu bilan birga u doimiy hajmga ega;
- adiabatik izolyatsiyalangan - nafaqat atrof-muhit bilan issiqlik almashinuviga ega, balki ish bilan bog'lanishi mumkin.
Issiqlik, mexanik va diffuziya kontaktlari tushunchalari energiya va moddalar almashinuvi usulini koʻrsatish uchun ishlatiladi.
Tizim holati parametrlari tizim holatining har qanday oʻlchanadigan makro xarakteristikalaridir. Ular quyidagilar bo'lishi mumkin:
- intensiv - massadan mustaqil (harorat, bosim);
- keng (kapasitiv) - moddaning massasiga proportsional (hajmi,issiqlik sig'imi, massa).
Bu parametrlarning barchasi fizika va kimyodan kimyoviy termodinamika tomonidan olingan, ammo ular haroratga bog'liq bo'lganligi sababli biroz boshqacha tarkibga ega. Aynan shu qiymat tufayli turli xususiyatlar bir-biriga bog'langan.
Muvozanat - bu tizimning doimiy tashqi sharoitda keladigan holati va termodinamik parametrlarning vaqtinchalik doimiyligi, shuningdek, unda material va issiqlik oqimlarining yo'qligi bilan tavsiflanadi. Bu holat uchun bosim, harorat va kimyoviy potentsialning doimiyligi tizimning butun hajmida kuzatiladi.
Muvozanatli va muvozanatsiz jarayonlar
Kimyoviy termodinamikaning asosiy tushunchalari tizimida termodinamik jarayon alohida o’rin tutadi. U bir yoki bir nechta termodinamik parametrlarning oʻzgarishi bilan tavsiflanadigan tizim holatidagi oʻzgarishlar sifatida aniqlanadi.
Tizim holatini oʻzgartirish turli sharoitlarda mumkin. Shu munosabat bilan muvozanatli va muvozanatsiz jarayonlar farqlanadi. Muvozanat (yoki kvazistatik) jarayon tizimning bir qator muvozanat holatlari sifatida qaraladi. Bunday holda, uning barcha parametrlari cheksiz sekin o'zgaradi. Bunday jarayonni amalga oshirish uchun bir qator shartlar bajarilishi kerak:
- Ta'sir qiluvchi va qarama-qarshi kuchlar qiymatlaridagi cheksiz kichik farq (ichki va tashqi bosim va boshqalar).
- Jarayonning cheksiz sekin tezligi.
- Maksimal ish.
- Tashqi kuchning cheksiz kichik oʻzgarishi oqim yoʻnalishini oʻzgartiraditeskari jarayon.
- To'g'ridan-to'g'ri va teskari jarayonlar ishining qiymatlari teng va ularning yo'llari bir xil.
Tizimning nomutanosiblik holatini muvozanat holatiga oʻzgartirish jarayoni relaksatsiya, uning davomiyligi relaksatsiya vaqti deyiladi. Kimyoviy termodinamikada ko'pincha har qanday jarayon uchun bo'shashish vaqtining eng katta qiymati olinadi. Buning sababi shundaki, real tizimlar tizimda paydo bo'ladigan energiya va/yoki materiya oqimlari bilan muvozanat holatidan osongina chiqib ketadi va muvozanatsizdir.
Qaytariladigan va qaytarilmas jarayonlar
Qaytariladigan termodinamik jarayon tizimning bir holatdan ikkinchi holatga oʻtishidir. U nafaqat oldinga yo'nalishda, balki qarama-qarshi yo'nalishda ham oqishi mumkin, bundan tashqari, bir xil oraliq holatlar orqali, atrof-muhitda hech qanday o'zgarishlar bo'lmaydi.
Qaytmas - bu tizimning bir holatdan ikkinchi holatga oʻtishi mumkin boʻlmagan, atrof-muhitdagi oʻzgarishlar bilan birga boʻlmaydigan jarayon.
Qaytmas jarayonlar:
- cheklangan harorat farqida issiqlik uzatish;
- gazning vakuumda kengayishi, chunki u davomida hech qanday ish bajarilmaydi va buni qilmasdan gazni siqish mumkin emas;
- diffuziya, chunki chiqarilgandan so'ng gazlar o'zaro oson tarqaladi va ishsiz teskari jarayonni amalga oshirish mumkin emas.
Termodinamik jarayonlarning boshqa turlari
Diraviy jarayon (tsikl) shunday jarayon, davomidabu tizim o'z xususiyatlarining o'zgarishi bilan tavsiflangan va oxirida uning dastlabki qiymatlariga qaytgan.
Jarayonni tavsiflovchi harorat, hajm va bosim qiymatlariga qarab kimyoviy termodinamikada jarayonning quyidagi turlari ajratiladi:
- Izotermik (T=doimiy).
- Izobarik (P=const).
- Izoxorik (V=const).
- Adiabatik (Q=doimiy).
Kimyoviy termodinamika qonunlari
Asosiy postulatlarni ko'rib chiqishdan oldin turli tizimlar holatini tavsiflovchi miqdorlarning mohiyatini esga olish kerak.
Tizimning ichki energiyasi U deganda uning zarrachalarning harakati va oʻzaro taʼsiri energiyalaridan tashkil topgan energiya zaxirasi tushuniladi, yaʼni kinetik energiya va pozitsiyaning potentsial energiyasidan tashqari barcha turdagi energiya.. Uning oʻzgarishini aniqlang ∆U.
Entalpiya H ko'pincha kengaytirilgan tizimning energiyasi, shuningdek uning issiqlik miqdori deb ataladi. H=U+pV.
Heat Q - energiya uzatishning tartibsiz shakli. Agar issiqlik yutilgan bo'lsa (endotermik jarayon) tizimning ichki issiqligi ijobiy hisoblanadi (Q > 0). Agar issiqlik ajralib chiqsa (ekzotermik jarayon) bu manfiy (Q < 0).
A ish - energiya uzatishning tartiblangan shakli. Agar u tizim tomonidan tashqi kuchlar tomonidan bajarilsa, ijobiy (A>0) va tizimdagi tashqi kuchlar tomonidan bajarilsa, salbiy (A<0) hisoblanadi.
Asosiy postulat termodinamikaning birinchi qonunidir. Juda ko'p.. lar boruning formulalari, ular orasida quyidagilarni ajratib ko'rsatish mumkin: "Energiyaning bir turdan ikkinchisiga o'tishi qat'iy ekvivalent miqdorlarda sodir bo'ladi."
Agar tizim 1-holatdan 2-holatga oʻtsa, Q issiqlik yutilishi bilan birga, bu oʻz navbatida ichki energiyani ∆U oʻzgartirishga va A ishni bajarishga sarflansa, matematik jihatdan bu postulat boʻladi. tenglamalar bilan yoziladi: Q=∆U +A yoki dQ=dU + DA.
Termodinamikaning ikkinchi qonuni, xuddi birinchisi kabi, nazariy jihatdan kelib chiqmagan, balki postulat maqomiga ega. Biroq, uning ishonchliligi eksperimental kuzatishlarga mos keladigan natijalar bilan tasdiqlanadi. Fizik kimyoda quyidagi formula keng tarqalgan: "Muvozanat holatida bo'lmagan har qanday izolyatsiyalangan tizim uchun entropiya vaqt o'tishi bilan ortadi va uning o'sishi tizim muvozanat holatiga kirguncha davom etadi."
Matematik jihatdan kimyoviy termodinamikaning ushbu postulati quyidagi shaklga ega: dSisol≧0. Bu holatda tengsizlik belgisi muvozanatsiz holatni, "=" belgisi esa muvozanatni bildiradi.
