Některé prvky základů chemické termodynamiky se začínají uvažovat na střední škole. V hodinách chemie se studenti poprvé setkávají s pojmy jako vratné a nevratné procesy, chemická rovnováha, tepelný efekt a mnoho dalších. Ze školního kurzu fyziky se učí o vnitřní energii, práci, potenciálech a dokonce se seznámí s prvním zákonem termodynamiky.
Definice termodynamiky
Studenti univerzit a vysokých škol chemicko-inženýrských oborů studují podrobně termodynamiku v rámci fyzikální a/nebo koloidní chemie. Jedná se o jeden ze základních předmětů, jehož porozumění vám umožňuje provádět výpočty nezbytné pro vývoj nových technologických výrobních linek a zařízení pro ně, řešení problémů ve stávajících technologických schématech.
Chemická termodynamika se obvykle nazývá jedno z odvětví fyzikální chemie, které studuje chemické makrosystémy a související procesy založené na obecných zákonech o vzájemné přeměně tepla, práce a energie.
Je založen na třech postulátech, které se často nazývají principy termodynamiky. Nemajímatematický základ, ale jsou založeny na zobecnění experimentálních dat, které lidstvo nashromáždilo. Z těchto zákonů, které tvoří základ popisu okolního světa, jsou odvozeny četné důsledky.
Úkoly
Mezi hlavní úkoly chemické termodynamiky patří:
- důkladná studie a také vysvětlení nejdůležitějších zákonitostí, které určují směr chemických procesů, jejich rychlost, podmínky, které je ovlivňují (prostředí, nečistoty, záření atd.);
- výpočet energetického účinku jakéhokoli chemického nebo fyzikálně-chemického procesu;
- detekce podmínek pro maximální výtěžek reakčních produktů;
- určení kritérií pro rovnovážný stav různých termodynamických systémů;
- stanovení nezbytných kritérií pro spontánní tok konkrétního fyzikálního a chemického procesu.
Objekt a objekt
Tato část vědy si neklade za cíl vysvětlit povahu nebo mechanismus jakéhokoli chemického jevu. Zajímá ji pouze energetická stránka probíhajících procesů. Proto lze předmět chemické termodynamiky nazvat energií a zákony přeměny energie při chemických reakcích, rozpouštění látek při vypařování a krystalizaci.
Tato věda umožňuje posoudit, zda je ta či ona reakce schopna za určitých podmínek probíhat právě z energetické stránky problému.
Předměty jeho studia se nazývají tepelné bilance fyzikálních a chemických procesů, fázepřechody a chemické rovnováhy. A to pouze v makroskopických systémech, tedy těch, které se skládají z obrovského množství částic.
Metody
Termodynamická sekce fyzikální chemie využívá k řešení svých hlavních problémů teoretické (výpočet) a praktické (experimentální) metody. První skupina metod umožňuje kvantitativně spojovat různé vlastnosti a vypočítat některé z nich na základě experimentálních hodnot jiných pomocí principů termodynamiky. Zákony kvantové mechaniky pomáhají stanovit způsoby popisu a rysy pohybu částic, spojovat veličiny, které je charakterizují, s fyzikálními parametry stanovenými v průběhu experimentů.
Výzkumné metody chemické termodynamiky se dělí do dvou skupin:
- Termodynamický. Nezohledňují povahu konkrétních látek a nevycházejí z žádných modelových představ o atomové a molekulární struktuře látek. Takové metody se obvykle nazývají fenomenologické, tedy stanovení vztahů mezi pozorovanými veličinami.
- Statistické. Jsou založeny na struktuře hmoty a kvantových efektech, umožňují popis chování systémů na základě analýzy procesů probíhajících na úrovni atomů a jejich částic.
Oba tyto přístupy mají své výhody a nevýhody.
| Metoda | Dignity | Vady |
| Termodynamický | Vzhledem k velkémuobecnost je poměrně jednoduchá a při řešení konkrétních problémů nevyžaduje další informace | Neodhaluje mechanismus procesu |
| Statistické | Pomáhá pochopit podstatu a mechanismus jevu, protože je založen na představách o atomech a molekulách | Vyžaduje důkladnou přípravu a velké množství znalostí |
Základní pojmy chemické termodynamiky
Systém je jakýkoli hmotný makroskopický objekt studia izolovaný od vnějšího prostředí a hranice může být jak skutečná, tak imaginární.
Typy systémů:
- uzavřený (uzavřený) - charakterizovaný stálostí celkové hmotnosti, nedochází k výměně hmoty s okolím, ale výměna energie je možná;
- open – vyměňuje si energii i hmotu s prostředím;
- izolovaný – nevyměňuje si energii (teplo, práci) ani hmotu s vnějším prostředím, přitom má konstantní objem;
- adiabaticky izolovaný – nedochází pouze k výměně tepla s okolím, ale může být spojen s prací.
Koncepce tepelných, mechanických a difúzních kontaktů se používá k označení způsobu výměny energie a hmoty.
Parametry stavu systému jsou jakékoli měřitelné makrocharakteristiky stavu systému. Mohou to být:
- intenzivní – nezávislé na hmotnosti (teplota, tlak);
- extenzivní (kapacitní) - úměrné hmotnosti látky (objemu,tepelná kapacita, hmotnost).
Všechny tyto parametry si chemická termodynamika vypůjčila z fyziky a chemie, ale nabývají trochu jiného obsahu, protože jsou uvažovány v závislosti na teplotě. Právě díky této hodnotě jsou různé vlastnosti propojeny.
Rovnováha je stav systému, ve kterém se nachází za stálých vnějších podmínek a je charakterizován dočasnou stálostí termodynamických parametrů a také absencí materiálových a tepelných toků v něm. Pro tento stav je v celém objemu systému pozorována stálost tlaku, teploty a chemického potenciálu.
Rovnovážné a nerovnovážné procesy
Termodynamický proces zaujímá zvláštní místo v systému základních pojmů chemické termodynamiky. Je definován jako změny stavu systému, které jsou charakterizovány změnami jednoho nebo více termodynamických parametrů.
Změny stavu systému jsou možné za různých podmínek. V tomto ohledu se rozlišuje mezi rovnovážnými a nerovnovážnými procesy. Rovnovážný (neboli kvazistatický) proces je považován za řadu rovnovážných stavů systému. V tomto případě se všechny jeho parametry mění nekonečně pomalu. Aby takový proces mohl proběhnout, musí být splněna řada podmínek:
- Nekonečně malý rozdíl v hodnotách působících a protilehlých sil (vnitřní a vnější tlak atd.).
- Nekonečně pomalá rychlost procesu.
- Maximální práce.
- Nekonečně malá změna vnější síly změní směr prouděníobrácený proces.
- Hodnoty práce přímých a zpětných procesů jsou stejné a jejich cesty jsou stejné.
Proces změny nerovnovážného stavu systému na rovnovážný se nazývá relaxace a jeho trvání se nazývá relaxační čas. V chemické termodynamice se často bere největší hodnota relaxační doby pro jakýkoli proces. To je způsobeno skutečností, že skutečné systémy snadno opouštějí stav rovnováhy se vznikajícími toky energie a/nebo hmoty v systému a jsou nerovnovážné.
Vratné a nevratné procesy
Reverzibilní termodynamický proces je přechod systému z jednoho z jeho stavů do druhého. Může proudit nejen v dopředném směru, ale i v opačném směru, navíc přes stejné mezistavy, přičemž nedojde k žádným změnám v prostředí.
Nevratný je proces, pro který je přechod systému z jednoho stavu do druhého nemožný, není doprovázen změnami v prostředí.
Nevratné procesy jsou:
- přenos tepla při konečném teplotním rozdílu;
- expanze plynu ve vakuu, protože se při ní neprovádí žádná práce a bez toho není možné stlačit plyn;
- difúze, protože po odstranění se plyny snadno vzájemně rozptýlí a opačný proces není možný bez práce.
Jiné typy termodynamických procesů
Kruhový proces (cyklus) je takový proces, běhemkterý se systém vyznačoval změnou svých vlastností a na konci se vrátil ke svým původním hodnotám.
V závislosti na hodnotách teploty, objemu a tlaku charakterizujících proces se v chemické termodynamice rozlišují následující typy procesů:
- Izotermické (T=konst).
- Izobarické (P=konst).
- Izochorické (V=konst).
- Adiabatické (Q=konst).
Zákony chemické termodynamiky
Před zvážením hlavních postulátů je nutné si připomenout podstatu veličin charakterizujících stav různých systémů.
Vnitřní energie U systému je chápána jako zásoba jeho energie, která se skládá z energií pohybu a interakce částic, tedy všech druhů energie kromě kinetické energie a její potenciální energie polohy. Určete jeho změnu ∆U.
Entalpie H je často nazývána energií expandovaného systému, stejně jako jeho tepelný obsah. H=U+pV.
Teplo Q je neuspořádaná forma přenosu energie. Vnitřní teplo systému je považováno za kladné (Q > 0), pokud je teplo absorbováno (endotermický proces). Je negativní (Q < 0), pokud se uvolní teplo (exotermický proces).
Práce A je uspořádaná forma přenosu energie. Považuje se za pozitivní (A>0), pokud je prováděno systémem proti vnějším silám, a za negativní (A<0), pokud je prováděno vnějšími silami na systém.
Základním postulátem je první zákon termodynamiky. Je jich mnohojeho formulace, mezi nimiž lze rozlišit následující: "Přechod energie z jednoho typu na druhý nastává v přísně ekvivalentních množstvích."
Pokud systém přejde ze stavu 1 do stavu 2, doprovázený absorpcí tepla Q, které je naopak vynaloženo na změnu vnitřní energie ∆U a vykonání práce A, pak je tento postulát matematicky zapsané rovnicemi: Q=∆U +A nebo δQ=dU + δA.
Druhý termodynamický zákon, stejně jako ten první, není odvozen teoreticky, ale má status postulátu. Jeho spolehlivost však potvrzují jeho důsledky odpovídající experimentálním pozorováním. Ve fyzikální chemii je běžnější následující formulace: "Pro každý izolovaný systém, který není v rovnovážném stavu, entropie roste s časem a její růst pokračuje, dokud systém nevstoupí do rovnovážného stavu."
Matematicky má tento postulát chemické termodynamiky tvar: dSisol≧0. Znak nerovnosti v tomto případě označuje nerovnovážný stav a znak "=" označuje rovnováhu.
