برخی از عناصر مبانی ترمودینامیک شیمیایی در دبیرستان در نظر گرفته می شوند. در درس های شیمی، دانش آموزان برای اولین بار با مفاهیمی مانند فرآیندهای برگشت پذیر و غیر قابل برگشت، تعادل شیمیایی، اثر حرارتی و بسیاری دیگر مواجه می شوند. از دوره فیزیک مدرسه، آنها با انرژی درونی، کار، پتانسیل ها و حتی با قانون اول ترمودینامیک آشنا می شوند.
تعریف ترمودینامیک
دانشجویان دانشگاه ها و کالج های تخصصی مهندسی شیمی ترمودینامیک را به طور مفصل در چارچوب شیمی فیزیکی و/یا کلوئیدی مطالعه می کنند. این یکی از موضوعات اساسی است که درک آن به شما امکان می دهد محاسبات لازم برای توسعه خطوط تولید فن آوری جدید و تجهیزات آنها را انجام دهید و مشکلات موجود در طرح های فناوری موجود را حل کنید.
ترمودینامیک شیمیایی معمولاً یکی از شاخه های شیمی فیزیک نامیده می شود که به مطالعه کلان سیستم های شیمیایی و فرآیندهای مرتبط بر اساس قوانین کلی تبدیل گرما، کار و انرژی به یکدیگر می پردازد.
بر اساس سه اصل است که اغلب به آنها اصول ترمودینامیک می گویند. آنها ندارندمبنای ریاضی است، اما مبتنی بر تعمیم داده های تجربی است که توسط بشر انباشته شده است. پیامدهای متعددی از این قوانین ناشی می شود که اساس توصیف دنیای اطراف را تشکیل می دهد.
کارها
وظایف اصلی ترمودینامیک شیمیایی عبارتند از:
- مطالعه کامل، و همچنین توضیح مهم ترین الگوهایی که جهت فرآیندهای شیمیایی، سرعت آنها، شرایطی که بر آنها تأثیر می گذارد (محیط، ناخالصی ها، تشعشع، و غیره) را تعیین می کند؛
- محاسبه اثر انرژی هر فرآیند شیمیایی یا فیزیکی-شیمیایی؛
- تشخیص شرایط برای حداکثر بازده محصولات واکنش؛
- تعیین معیارهای حالت تعادل سیستم های ترمودینامیکی مختلف؛
- ایجاد معیارهای لازم برای جریان خود به خودی یک فرآیند فیزیکی و شیمیایی خاص.
شیء و شی
هدف این بخش از علم توضیح ماهیت یا مکانیسم هیچ پدیده شیمیایی نیست. او فقط به جنبه انرژی فرآیندهای جاری علاقه دارد. بنابراین موضوع ترمودینامیک شیمیایی را می توان انرژی و قوانین تبدیل انرژی در جریان واکنش های شیمیایی، انحلال مواد در حین تبخیر و تبلور نامید.
این علم این امکان را فراهم می کند تا قضاوت کنیم که آیا این یا آن واکنش دقیقاً از جنبه انرژی موضوع می تواند در شرایط خاص انجام شود.
موضوع مطالعه آن توازن حرارتی فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی فاز نامیده می شود.انتقال و تعادل های شیمیایی و فقط در سیستم های ماکروسکوپی، یعنی آنهایی که از تعداد زیادی ذره تشکیل شده اند.
روش
بخش ترمودینامیکی شیمی فیزیک از روش های نظری (محاسبه) و عملی (تجربی) برای حل مسائل اصلی خود استفاده می کند. اولین گروه از روش ها به شما امکان می دهد خواص مختلف را به صورت کمی مرتبط کنید و برخی از آنها را بر اساس مقادیر تجربی دیگران با استفاده از اصول ترمودینامیک محاسبه کنید. قوانین مکانیک کوانتومی به ایجاد روشهای توصیف و ویژگی‌های حرکت ذرات کمک می‌کند تا کمیت‌هایی را که آنها را مشخص می‌کنند با پارامترهای فیزیکی تعیین‌شده در جریان آزمایش‌ها مرتبط کند.
روش های تحقیق ترمودینامیک شیمیایی به دو گروه تقسیم می شوند:
- ترمودینامیکی. آنها ماهیت مواد خاصی را در نظر نمی گیرند و بر اساس هیچ ایده مدلی در مورد ساختار اتمی و مولکولی مواد نیستند. چنین روش هایی معمولاً پدیدارشناختی نامیده می شوند، یعنی ایجاد روابط بین کمیت های مشاهده شده.
- آماری. آنها بر اساس ساختار ماده و اثرات کوانتومی هستند و امکان توصیف رفتار سیستم ها را بر اساس تجزیه و تحلیل فرآیندهای رخ داده در سطح اتم ها و ذرات تشکیل دهنده آنها فراهم می کنند.
هر دوی این رویکردها مزایا و معایب خود را دارند.
| روش | کرامت | عیوب |
| ترمودینامیکی | به دلیل بزرگ بودنکلیت بسیار ساده است و به اطلاعات اضافی نیاز ندارد، در حالی که مشکلات خاص را حل می کند | مکانیسم فرآیند را آشکار نمی کند |
| آمار | به درک ماهیت و مکانیسم این پدیده کمک می کند، زیرا مبتنی بر ایده هایی در مورد اتم ها و مولکول ها است | نیازمند آمادگی کامل و مقدار زیادی دانش |
مفاهیم پایه ترمودینامیک شیمیایی
سیستم هر شیء مطالعه ماکروسکوپیک مادی است که از محیط خارجی جدا شده است و مرز می تواند هم واقعی و هم خیالی باشد.
انواع سیستم:
- بسته (بسته) - با ثابت بودن جرم کل مشخص می شود، هیچ تبادل ماده با محیط وجود ندارد، با این حال، تبادل انرژی امکان پذیر است؛
- باز - تبادل انرژی و ماده با محیط؛
- ایزوله - انرژی (گرما، کار) یا ماده را با محیط خارجی مبادله نمی کند، در حالی که حجم ثابتی دارد؛
- آدیاباتیک ایزوله - نه تنها تبادل حرارتی با محیط دارد، بلکه می تواند با کار مرتبط باشد.
مفاهیم تماس های حرارتی، مکانیکی و انتشار برای نشان دادن روش تبادل انرژی و ماده استفاده می شود.
پارامترهای وضعیت سیستم هر ویژگی کلان قابل اندازه گیری وضعیت سیستم هستند. آنها می توانند:
باشند
- شدید - مستقل از جرم (دما، فشار)؛
- گسترده (خازنی) - متناسب با جرم ماده (حجم،ظرفیت گرمایی، جرم).
همه این پارامترها توسط ترمودینامیک شیمیایی از فیزیک و شیمی به عاریت گرفته شده اند، اما محتوای کمی متفاوت دارند، زیرا بسته به دما در نظر گرفته می شوند. به لطف این مقدار است که ویژگی های مختلف به هم مرتبط هستند.
تعادل حالتی از یک سیستم است که در آن تحت شرایط خارجی ثابت قرار می گیرد و با ثبات موقت پارامترهای ترمودینامیکی و همچنین عدم وجود جریان مواد و گرما در آن مشخص می شود. برای این حالت، ثبات فشار، دما و پتانسیل شیمیایی در کل حجم سیستم مشاهده می شود.
فرایندهای تعادلی و غیرتعادلی
فرایند ترمودینامیکی جایگاه ویژه ای در سیستم مفاهیم پایه ترمودینامیک شیمیایی دارد. این به عنوان تغییرات در وضعیت سیستم تعریف می شود که با تغییر در یک یا چند پارامتر ترمودینامیکی مشخص می شود.
تغییر در وضعیت سیستم در شرایط مختلف امکان پذیر است. در این راستا بین فرآیندهای تعادلی و غیرتعادلی تفاوت قائل می شود. یک فرآیند تعادلی (یا شبه استاتیکی) به عنوان مجموعه ای از حالت های تعادلی یک سیستم در نظر گرفته می شود. در این حالت تمام پارامترهای آن به کندی بی نهایت تغییر می کند. برای انجام چنین فرآیندی، تعدادی شرایط باید رعایت شود:
- تفاوت بی نهایت اندک در مقادیر نیروهای عامل و مخالف (فشار داخلی و خارجی و غیره).
- سرعت بی نهایت کند فرآیند.
- حداکثر کار.
- تغییر بی نهایت کوچک در نیروی خارجی جهت جریان را تغییر می دهدروند معکوس.
- مقادیر کار فرآیندهای مستقیم و معکوس برابر است و مسیرهای آنها یکسان است.
فرآیند تغییر حالت غیرتعادلی سیستم به حالت تعادل را ریلکسیشن و مدت آن را زمان آرامش می نامند. در ترمودینامیک شیمیایی، بیشترین مقدار زمان آرامش برای هر فرآیندی اغلب گرفته می شود. این به این دلیل است که سیستم های واقعی به راحتی با جریان های نوظهور انرژی و/یا ماده در سیستم از حالت تعادل خارج می شوند و غیرتعادل هستند.
فرایندهای برگشت پذیر و برگشت ناپذیر
فرایند ترمودینامیکی برگشت پذیر انتقال یک سیستم از یکی از حالت های خود به حالت دیگر است. می تواند نه تنها در جهت رو به جلو، بلکه در جهت مخالف نیز جریان یابد، علاوه بر این، از طریق همان حالت های میانی، در حالی که هیچ تغییری در محیط ایجاد نخواهد شد.
برگشت ناپذیر فرآیندی است که برای آن انتقال سیستم از یک حالت به حالت دیگر غیرممکن است و با تغییراتی در محیط همراه نیست.
فرایندهای برگشت ناپذیر عبارتند از:
- انتقال گرما در اختلاف دمای محدود؛
- انبساط گاز در خلاء، زیرا هیچ کاری در طول آن انجام نمی شود و فشرده کردن گاز بدون انجام آن غیرممکن است؛
- انتشار، زیرا پس از حذف گازها به راحتی متقابل پخش می شوند و فرآیند معکوس بدون انجام کار غیرممکن است.
سایر انواع فرآیندهای ترمودینامیکی
فرآیند دایره ای (چرخه) چنین فرآیندی است، در طولکه سیستم با تغییر در خصوصیات آن مشخص شد و در پایان به مقادیر اولیه خود بازگشت.
بسته به مقادیر دما، حجم و فشار مشخص کننده فرآیند، انواع فرآیندهای زیر در ترمودینامیک شیمیایی متمایز می شوند:
- ایزوترمال (T=Const).
- Isobaric (P=Const).
- Isochoric (V=const).
- آدیاباتیک (Q=Const).
قوانین ترمودینامیک شیمیایی
قبل از در نظر گرفتن فرضیه های اصلی، لازم است ماهیت کمیت های مشخص کننده وضعیت سیستم های مختلف را به خاطر بسپارید.
انرژی داخلی U یک سیستم به عنوان ذخیره انرژی آن شناخته می شود که شامل انرژی های حرکت و برهمکنش ذرات است، یعنی همه انواع انرژی به جز انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل موقعیت آن.. تغییر آن را تعیین کنید ∆U.
آنتالپی H اغلب انرژی سیستم منبسط شده و همچنین محتوای گرمای آن نامیده می شود. H=U+pV.
Heat Q یک شکل اختلال در انتقال انرژی است. گرمای داخلی سیستم در صورت جذب گرما (فرایند گرماگیر) مثبت در نظر گرفته می شود (Q > 0). اگر گرما آزاد شود (فرآیند گرمازا) منفی است (Q < 0).
کار A شکل مرتبی از انتقال انرژی است. اگر توسط سیستم در برابر نیروهای خارجی انجام شود مثبت (A>0) و اگر توسط نیروهای خارجی روی سیستم انجام شود (A<0) منفی در نظر گرفته می شود.
اصل اساسی قانون اول ترمودینامیک است. بسیاری وجود داردفرمول‌بندی‌های او، که در میان آنها می‌توان موارد زیر را متمایز کرد: "انتقال انرژی از یک نوع به نوع دیگر در مقادیر کاملاً معادل رخ می‌دهد."
اگر سیستم از حالت 1 به حالت 2 منتقل شود، همراه با جذب گرمای Q، که به نوبه خود صرف تغییر انرژی داخلی ΔU و انجام کار A می شود، از نظر ریاضی این فرض توسط معادلات نوشته شده است: Q=∆U +A یا δQ=dU + δA.
قانون دوم ترمودینامیک، مانند قانون اول، از نظر تئوری مشتق نشده است، اما وضعیت یک اصل دارد. با این حال، قابلیت اطمینان آن توسط پیامدهای مربوط به مشاهدات تجربی تأیید می شود. در شیمی فیزیک، فرمول زیر رایج تر است: "برای هر سیستم ایزوله ای که در حالت تعادل نیست، آنتروپی با گذشت زمان افزایش می یابد و رشد آن تا زمانی ادامه می یابد که سیستم وارد حالت تعادل شود."
از نظر ریاضی، این اصل ترمودینامیک شیمیایی شکل دارد: dSisol≧0. علامت نابرابری در این حالت حالت عدم تعادل را نشان می‌دهد و علامت "=" نشان‌دهنده تعادل است.
