Disa elementë të bazave të termodinamikës kimike fillojnë të merren parasysh në shkollën e mesme. Në mësimet e kimisë, studentët për herë të parë hasin koncepte të tilla si proceset e kthyeshme dhe të pakthyeshme, ekuilibri kimik, efekti termik dhe shumë të tjera. Nga kursi i fizikës në shkollë, ata mësojnë për energjinë e brendshme, punën, potencialet, madje njihen me ligjin e parë të termodinamikës.
Përkufizimi i termodinamikës
Studentët e universiteteve dhe kolegjeve të specialiteteve të inxhinierisë kimike studiojnë termodinamikën në detaje në kuadrin e kimisë fizike dhe/ose koloidale. Ky është një nga temat themelore, kuptimi i të cilit ju lejon të kryeni llogaritjet e nevojshme për zhvillimin e linjave të reja teknologjike të prodhimit dhe pajisjeve për to, duke zgjidhur problemet në skemat ekzistuese teknologjike.
Termodinamika kimike zakonisht quhet një nga degët e kimisë fizike që studion makrosistemet kimike dhe proceset e lidhura me to, bazuar në ligjet e përgjithshme për shndërrimin e nxehtësisë, punës dhe energjisë në njëra-tjetrën.
Ai bazohet në tre postulate, të cilat shpesh quhen parimet e termodinamikës. Ata nuk kanëbazë matematikore, por bazohen në përgjithësimin e të dhënave eksperimentale që janë grumbulluar nga njerëzimi. Nga këto ligje rrjedhin pasoja të shumta, të cilat përbëjnë bazën e përshkrimit të botës përreth.
Detyrat
Detyrat kryesore të termodinamikës kimike përfshijnë:
- një studim i plotë, si dhe një shpjegim i modeleve më të rëndësishme që përcaktojnë drejtimin e proceseve kimike, shpejtësinë e tyre, kushtet që ndikojnë në to (mjedis, papastërti, rrezatim etj.);
- llogaritja e efektit energjetik të çdo procesi kimik ose fiziko-kimik;
- zbulimi i kushteve për rendimentin maksimal të produkteve të reaksionit;
- përcaktimi i kritereve për gjendjen e ekuilibrit të sistemeve të ndryshme termodinamike;
- vendosjen e kritereve të nevojshme për rrjedhën spontane të një procesi të caktuar fizik dhe kimik.
Objekti dhe objekti
Ky seksion i shkencës nuk synon të shpjegojë natyrën ose mekanizmin e ndonjë fenomeni kimik. Ajo është e interesuar vetëm për anën energjetike të proceseve në vazhdim. Prandaj, lënda e termodinamikës kimike mund të quhet energji dhe ligjet e shndërrimit të energjisë në rrjedhën e reaksioneve kimike, shpërbërja e substancave gjatë avullimit dhe kristalizimit.
Kjo shkencë bën të mundur të gjykohet nëse ky apo ai reagim është i aftë të zhvillohet në kushte të caktuara pikërisht nga ana energjetike e çështjes.
Objektet e studimit të tij quhen balancat e nxehtësisë së proceseve fizike dhe kimike, fazatranzicionet dhe ekuilibrat kimikë. Dhe vetëm në sistemet makroskopike, domethënë ato që përbëhen nga një numër i madh grimcash.
Metodat
Seksioni termodinamik i kimisë fizike përdor metoda teorike (llogaritëse) dhe praktike (eksperimentale) për të zgjidhur problemet e saj kryesore. Grupi i parë i metodave ju lejon të lidhni në mënyrë sasiore vetitë e ndryshme dhe të llogaritni disa prej tyre bazuar në vlerat eksperimentale të të tjerëve, duke përdorur parimet e termodinamikës. Ligjet e mekanikës kuantike ndihmojnë në vendosjen e mënyrave të përshkrimit dhe veçorive të lëvizjes së grimcave, për të lidhur sasitë që i karakterizojnë ato me parametrat fizikë të përcaktuar gjatë eksperimenteve.
Metodat e kërkimit të termodinamikës kimike ndahen në dy grupe:
- Termodinamik. Ato nuk marrin parasysh natyrën e substancave specifike dhe nuk bazohen në ndonjë ide model për strukturën atomike dhe molekulare të substancave. Metoda të tilla zakonisht quhen fenomenologjike, domethënë vendosja e marrëdhënieve midis sasive të vëzhguara.
- Statistikore. Ato bazohen në strukturën e materies dhe efektet kuantike, lejojnë përshkrimin e sjelljes së sistemeve bazuar në analizën e proceseve që ndodhin në nivelin e atomeve dhe grimcave të tyre përbërëse.
Të dyja këto qasje kanë avantazhet dhe disavantazhet e tyre.
| Metoda | Dinjiteti | Difekte |
| Termodinamik | Për shkak të madhpërgjithësimi është mjaft i thjeshtë dhe nuk kërkon informacion shtesë, ndërsa zgjidh probleme specifike | Nuk zbulon mekanizmin e procesit |
| Statistikore | Ndihmon për të kuptuar thelbin dhe mekanizmin e fenomenit, pasi bazohet në idetë për atomet dhe molekulat | Kërkon përgatitje të plotë dhe një sasi të madhe njohurish |
Konceptet themelore të termodinamikës kimike
Një sistem është çdo objekt studimi material makroskopik, i izoluar nga mjedisi i jashtëm dhe kufiri mund të jetë edhe real edhe imagjinar.
Llojet e sistemeve:
- i mbyllur (i mbyllur) - karakterizohet nga qëndrueshmëria e masës totale, nuk ka shkëmbim të materies me mjedisin, megjithatë, shkëmbimi i energjisë është i mundur;
- e hapur - shkëmben energjinë dhe lëndën me mjedisin;
- i izoluar - nuk shkëmben energji (nxehtësi, punë) ose lëndë me mjedisin e jashtëm, ndërsa ka një vëllim konstant;
- iizoluar me adiabatikë - nuk ka vetëm shkëmbim nxehtësie me mjedisin, por mund të shoqërohet me punën.
Konceptet e kontakteve termike, mekanike dhe të difuzionit përdoren për të treguar metodën e shkëmbimit të energjisë dhe lëndës.
Parametrat e gjendjes së sistemit janë çdo makrokarakteristikë e matshme e gjendjes së sistemit. Ato mund të jenë:
- intensitet - i pavarur nga masa (temperatura, presioni);
- ekstensiv (kapacitiv) - proporcional me masën e substancës (vëllimi,kapaciteti i nxehtësisë, masa).
Të gjithë këta parametra janë huazuar nga termodinamika kimike nga fizika dhe kimia, por marrin një përmbajtje paksa të ndryshme, pasi konsiderohen në varësi të temperaturës. Është falë kësaj vlere që veçoritë e ndryshme janë të ndërlidhura.
Ekuilibri është një gjendje e një sistemi në të cilin ai vjen në kushte të jashtme konstante dhe karakterizohet nga një qëndrueshmëri e përkohshme e parametrave termodinamikë, si dhe nga mungesa e rrjedhave të materialit dhe nxehtësisë në të. Për këtë gjendje, qëndrueshmëria e presionit, temperaturës dhe potencialit kimik vërehet në të gjithë vëllimin e sistemit.
Proceset ekuilibër dhe joekuilibër
Procesi termodinamik zë një vend të veçantë në sistemin e koncepteve bazë të termodinamikës kimike. Përkufizohet si ndryshime në gjendjen e sistemit, të cilat karakterizohen nga ndryshime në një ose më shumë parametra termodinamikë.
Ndryshimet në gjendjen e sistemit janë të mundshme në kushte të ndryshme. Në këtë drejtim, bëhet dallimi midis proceseve ekuilibër dhe jo-ekuilibër. Një proces ekuilibri (ose pothuajse statik) konsiderohet si një seri gjendjesh ekuilibri të një sistemi. Në këtë rast, të gjithë parametrat e tij ndryshojnë pafundësisht ngadalë. Që një proces i tillë të ndodhë, duhet të plotësohen një sërë kushtesh:
- Diferencë pafundësisht e vogël në vlerat e forcave vepruese dhe kundërshtare (presioni i brendshëm dhe i jashtëm, etj.).
- Shpejtësia pafundësisht e ngad altë e procesit.
- Puna maksimale.
- Një ndryshim pafundësisht i vogël në forcën e jashtme ndryshon drejtimin e rrjedhësprocesi i kundërt.
- Vlerat e punës së proceseve të drejtpërdrejta dhe të kundërta janë të barabarta dhe rrugët e tyre janë të njëjta.
Procesi i ndryshimit të gjendjes jo-ekuilibër të sistemit në ekuilibër quhet relaksim, dhe kohëzgjatja e tij quhet kohë e relaksimit. Në termodinamikën kimike, shpesh merret vlera më e madhe e kohës së relaksimit për çdo proces. Kjo për faktin se sistemet reale largohen lehtësisht nga gjendja e ekuilibrit me flukset e energjisë dhe/ose materies në sistem dhe janë jo-ekuilibër.
Procese të kthyeshme dhe të pakthyeshme
Procesi termodinamik i kthyeshëm është kalimi i një sistemi nga një gjendje në tjetrën. Mund të rrjedhë jo vetëm në drejtimin përpara, por edhe në drejtim të kundërt, për më tepër, përmes të njëjtave gjendje të ndërmjetme, ndërkohë që nuk do të ketë ndryshime në mjedis.
I pakthyeshëm është një proces për të cilin kalimi i sistemit nga një gjendje në tjetrën është i pamundur, i pashoqëruar me ndryshime në mjedis.
Proceset e pakthyeshme janë:
- transferim i nxehtësisë në ndryshim të fundëm të temperaturës;
- zgjerimi i një gazi në vakum, pasi gjatë tij nuk bëhet asnjë punë dhe është e pamundur të kompresohet gazi pa e bërë atë;
- difuzion, pasi pas largimit gazrat do të shpërndahen lehtësisht reciprokisht, dhe procesi i kundërt është i pamundur pa kryer punë.
Lloje të tjera të proceseve termodinamike
Procesi rrethor (cikli) është një proces i tillë, gjatëi cili sistemi u karakterizua nga një ndryshim në vetitë e tij dhe në fund të tij u kthye në vlerat e tij origjinale.
Në varësi të vlerave të temperaturës, vëllimit dhe presionit që karakterizojnë procesin, në termodinamikën kimike dallohen llojet e mëposhtme të proceseve:
- Izotermike (T=konst).
- Izobarike (P=konst).
- Izokorik (V=konst).
- Adiabatic (Q=konst).
Ligjet e termodinamikës kimike
Para se të shqyrtojmë postulatet kryesore, është e nevojshme të kujtojmë thelbin e sasive që karakterizojnë gjendjen e sistemeve të ndryshme.
Energjia e brendshme U e një sistemi kuptohet si rezerva e energjisë së tij, e cila përbëhet nga energjitë e lëvizjes dhe ndërveprimit të grimcave, domethënë të gjitha llojet e energjisë, përveç energjisë kinetike dhe energjisë së saj potenciale të pozicionit.. Përcaktoni ndryshimin e tij ∆U.
Entalpia H quhet shpesh energjia e sistemit të zgjeruar, si dhe përmbajtja e tij e nxehtësisë. H=U+pV.
Nxehtësia Q është një formë e çrregullt e transferimit të energjisë. Nxehtësia e brendshme e sistemit konsiderohet pozitive (Q > 0) nëse nxehtësia absorbohet (proces endotermik). Është negative (Q < 0) nëse lirohet nxehtësia (proces ekzotermik).
Puna A është një formë e renditur e transferimit të energjisë. Konsiderohet pozitive (A>0) nëse kryhet nga sistemi kundër forcave të jashtme, dhe negative (A<0) nëse kryhet nga forca të jashtme në sistem.
Postulati bazë është ligji i parë i termodinamikës. Ka shumeformulimet e tij, ndër të cilat mund të dallohen si më poshtë: "Tranzicioni i energjisë nga një lloj në tjetrin ndodh në sasi rreptësisht ekuivalente."
Nëse sistemi bën një kalim nga gjendja 1 në gjendjen 2, shoqëruar me thithjen e nxehtësisë Q, e cila, nga ana tjetër, harxhohet për ndryshimin e energjisë së brendshme ∆U dhe kryerjen e punës A, atëherë matematikisht ky postulat është shkruar nga ekuacionet: Q=∆U +A ose δQ=dU + δA.
Ligji i dytë i termodinamikës, ashtu si i pari, nuk rrjedh teorikisht, por ka statusin e një postulati. Sidoqoftë, besueshmëria e tij konfirmohet nga pasojat e tij që korrespondojnë me vëzhgimet eksperimentale. Në kiminë fizike, formulimi i mëposhtëm është më i zakonshëm: "Për çdo sistem të izoluar që nuk është në gjendje ekuilibri, entropia rritet me kalimin e kohës dhe rritja e saj vazhdon derisa sistemi të hyjë në një gjendje ekuilibri."
Matematikisht, ky postulat i termodinamikës kimike ka formën: dSisol≧0. Shenja e pabarazisë në këtë rast tregon gjendjen jo-ekuilibër, dhe shenja "=" tregon ekuilibrin.
