Alguns elements dels fonaments de la termodinàmica química es comencen a considerar a l'institut. A les classes de química, els estudiants es troben per primera vegada amb conceptes com processos reversibles i irreversibles, equilibri químic, efecte tèrmic i molts altres. Des del curs de física de l'escola, aprenen sobre l'energia interna, el treball, els potencials i, fins i tot, es familiaritzen amb la primera llei de la termodinàmica.
Definició de termodinàmica
Els estudiants d'universitats i col·legis d'especialitats d'enginyeria química estudien amb detall la termodinàmica en el marc de la química física i/o col·loïdal. Aquesta és una de les assignatures fonamentals, la comprensió de la qual permet realitzar els càlculs necessaris per al desenvolupament de noves línies de producció tecnològica i equipaments per a aquestes, resolent problemes en els esquemes tecnològics existents.
La termodinàmica química se sol anomenar una de les branques de la química física que estudia els macrosistemes químics i els processos relacionats basant-se en les lleis generals sobre la transformació de la calor, el treball i l'energia entre si.
Es basa en tres postulats, que sovint s'anomenen principis de la termodinàmica. No en tenenbase matemàtica, sinó que es basen en la generalització de dades experimentals que han estat acumulades per la humanitat. D'aquestes lleis se'n deriven nombroses conseqüències, que formen la base de la descripció del món circumdant.
Tasques
Les principals tasques de la termodinàmica química inclouen:
- un estudi exhaustiu, així com una explicació dels patrons més importants que determinen la direcció dels processos químics, la seva velocitat, les condicions que els afecten (ambient, impureses, radiació, etc.);
- càlcul de l'efecte energètic de qualsevol procés químic o fisicoquímic;
- detecció de condicions per al màxim rendiment de productes de reacció;
- determinació de criteris per a l'estat d'equilibri de diversos sistemes termodinàmics;
- establint els criteris necessaris per al flux espontani d'un procés físic i químic concret.
Objecte i objecte
Aquesta secció de la ciència no pretén explicar la naturalesa o el mecanisme de cap fenomen químic. Només li interessa el vessant energètic dels processos en curs. Per tant, el tema de la termodinàmica química es pot anomenar energia i les lleis de conversió d'energia en el curs de les reaccions químiques, la dissolució de substàncies durant l'evaporació i la cristal·lització.
Aquesta ciència permet jutjar si aquesta o aquella reacció és capaç de procedir en determinades condicions precisament des del costat energètic del problema.
Els objectes del seu estudi s'anomenen balanços de calor de processos físics i químics, fasetransicions i equilibris químics. I només en sistemes macroscòpics, és a dir, aquells que consisteixen en un gran nombre de partícules.
Mètodes
La secció termodinàmica de la química física utilitza mètodes teòrics (càlcul) i pràctics (experimentals) per resoldre els seus principals problemes. El primer grup de mètodes us permet relacionar quantitativament diferents propietats i calcular algunes d'elles a partir dels valors experimentals d' altres, utilitzant els principis de la termodinàmica. Les lleis de la mecànica quàntica ajuden a establir les maneres de descriure i les característiques del moviment de les partícules, a connectar les magnituds que les caracteritzen amb els paràmetres físics determinats en el transcurs dels experiments.
Els mètodes d'investigació de la termodinàmica química es divideixen en dos grups:
- Termodinàmica. No tenen en compte la naturalesa de substàncies específiques i no es basen en cap idea model sobre l'estructura atòmica i molecular de les substàncies. Aquests mètodes solen anomenar-se fenomenològics, és a dir, que estableixen relacions entre magnituds observades.
- Estadístiques. Es basen en l'estructura de la matèria i els efectes quàntics, permeten descriure el comportament dels sistemes a partir de l'anàlisi de processos que ocorren a nivell dels àtoms i les seves partícules constitutives.
Ambdós enfocaments tenen els seus avantatges i desavantatges.
| Mètode | Dignitat | Defectes |
| Termodinàmica | A causa del granla generalitat és bastant senzilla i no requereix informació addicional, alhora que resol problemes específics | No revela el mecanisme del procés |
| Estadística | Ajuda a comprendre l'essència i el mecanisme del fenomen, ja que es basa en idees sobre àtoms i molècules | Requereix una preparació exhaustiva i una gran quantitat de coneixements |
Conceptes bàsics de termodinàmica química
Un sistema és qualsevol objecte d'estudi macroscòpic material, aïllat de l'entorn extern, i el límit pot ser alhora real i imaginari.
Tipus de sistemes:
- tancat (tancat) - caracteritzat per la constància de la massa total, no hi ha intercanvi de matèria amb l'entorn, però, és possible l'intercanvi d'energia;
- obert: intercanvia energia i matèria amb l'entorn;
- aïllat: no intercanvia energia (calor, treball) ni matèria amb l'entorn extern, mentre que té un volum constant;
- aïllat adiabàtic: no només té intercanvi de calor amb el medi ambient, sinó que es pot associar amb el treball.
Els conceptes de contactes tèrmics, mecànics i de difusió s'utilitzen per indicar el mètode d'intercanvi d'energia i matèria.
Els paràmetres d'estat del sistema són qualsevol macrocaracterística mesurable de l'estat del sistema. Poden ser:
- intens - independent de la massa (temperatura, pressió);
- extensiu (capacitiu) - proporcional a la massa de la substància (volum,capacitat calorífica, massa).
Tots aquests paràmetres són manllevats per la termodinàmica química de la física i la química, però adquireixen un contingut una mica diferent, ja que es consideren en funció de la temperatura. És gràcies a aquest valor que les diferents propietats estan interconnectades.
L'equilibri és un estat d'un sistema en el qual es troba en condicions externes constants i es caracteritza per una constància temporal dels paràmetres termodinàmics, així com per l'absència de material i fluxos de calor en ell. Per a aquest estat, s'observa la constància de la pressió, la temperatura i el potencial químic en tot el volum del sistema.
Processos d'equilibri i no equilibri
El procés termodinàmic ocupa un lloc especial en el sistema de conceptes bàsics de la termodinàmica química. Es defineix com els canvis en l'estat del sistema, que es caracteritzen per canvis en un o més paràmetres termodinàmics.
Els canvis en l'estat del sistema són possibles en diferents condicions. En aquest sentit, es fa una distinció entre processos d'equilibri i no equilibri. Un procés d'equilibri (o quasi-estàtic) es considera com una sèrie d'estats d'equilibri d'un sistema. En aquest cas, tots els seus paràmetres canvien infinitament lentament. Perquè aquest procés tingui lloc, s'han de complir una sèrie de condicions:
- Diferència infinitament petita en els valors de les forces actuants i oposades (pressió interna i externa, etc.).
- Velocitat del procés infinitament lenta.
- Treball màxim.
- Un canvi infinitesimal en la força externa canvia la direcció del fluxprocés invers.
- Els valors del treball dels processos directes i inversos són iguals, i els seus camins són els mateixos.
El procés de canviar l'estat de no equilibri del sistema a l'equilibri s'anomena relaxació, i la seva durada s'anomena temps de relaxació. En termodinàmica química, sovint es pren el valor més gran del temps de relaxació per a qualsevol procés. Això es deu al fet que els sistemes reals abandonen fàcilment l'estat d'equilibri amb els fluxos d'energia i/o matèria emergents del sistema i no estan en equilibri.
Processos reversibles i irreversibles
El procés termodinàmic reversible és la transició d'un sistema d'un dels seus estats a un altre. Pot fluir no només en direcció cap endavant, sinó també en sentit contrari, a més, pels mateixos estats intermedis, mentre que no hi haurà canvis en l'entorn.
Irreversible és un procés pel qual la transició del sistema d'un estat a un altre és impossible, no acompanyat de canvis en l'entorn.
Els processos irreversibles són:
- transferència de calor a diferència de temperatura finita;
- expansió d'un gas al buit, ja que no es fa cap treball durant aquest, i és impossible comprimir el gas sense fer-ho;
- difusió, ja que després de l'eliminació els gasos es difondran mútuament fàcilment i el procés invers és impossible sense fer feina.
Altres tipus de processos termodinàmics
El procés circular (cicle) és aquest procés, durantque el sistema es va caracteritzar per un canvi en les seves propietats, i al final va tornar als seus valors originals.
Depenent dels valors de temperatura, volum i pressió que caracteritzen el procés, en termodinàmica química es distingeixen els següents tipus de processos:
- Isotèrmica (T=const).
- Isobàric (P=const).
- Isocòric (V=const).
- Adiabàtic (Q=const).
Les lleis de la termodinàmica química
Abans de considerar els postulats principals, cal recordar l'essència de les magnituds que caracteritzen l'estat de diversos sistemes.
L'energia interna U d'un sistema s'entén com l'estoc de la seva energia, que consisteix en les energies de moviment i d'interacció de les partícules, és a dir, tots els tipus d'energia excepte l'energia cinètica i la seva energia potencial de posició.. Determineu el seu canvi ∆U.
L'entalpia H sovint s'anomena energia del sistema expandit, així com el seu contingut de calor. H=U+pV.
La calor Q és una forma desordenada de transferència d'energia. La calor interna del sistema es considera positiva (Q > 0) si s'absorbeix calor (procés endotèrmic). És negatiu (Q < 0) si s'allibera calor (procés exotèrmic).
El treball A és una forma ordenada de transferència d'energia. Es considera positiu (A>0) si el fa el sistema contra forces externes, i negatiu (A<0) si és realitzat per forces externes al sistema.
El postulat bàsic és la primera llei de la termodinàmica. Hi ha moltsles seves formulacions, entre les quals es poden distingir les següents: "La transició d'energia d'un tipus a un altre es produeix en quantitats estrictament equivalents".
Si el sistema fa una transició de l'estat 1 a l'estat 2, acompanyada de l'absorció de calor Q, que, al seu torn, es gasta en canviar l'energia interna ∆U i fer el treball A, aleshores matemàticament aquest postulat és escrit per les equacions: Q=∆U +A o δQ=dU + δA.
La segona llei de la termodinàmica, com la primera, no es deriva teòricament, sinó que té l'estatus de postulat. No obstant això, la seva fiabilitat queda confirmada per les conseqüències d'això corresponents a observacions experimentals. En química física, la formulació següent és més comuna: "Per a qualsevol sistema aïllat que no estigui en estat d'equilibri, l'entropia augmenta amb el temps i el seu creixement continua fins que el sistema entra en un estat d'equilibri."
Matemàticament, aquest postulat de la termodinàmica química té la forma: dSisol≧0. El signe de desigu altat en aquest cas indica l'estat de no equilibri i el signe "=" indica l'equilibri.
