5401c0c5

Химическая термодинамика: основные понятия, законы, задачи

Отдельные элементы основ химической термодинамики начинают рассматривать еще в средней школе. На уроках химии ученики впервые сталкиваются с такими понятиями, как обратимые и необратимые процессы, химическое равновесие, тепловой эффект и многими другими. Из школьного курса физики они узнают о внутренней энергии, работе, потенциалах и даже знакомятся с первым началом термодинамики.

химия в школе

Определение термодинамики

Студенты вузов и ссузов химико-технологических специальностей подробно изучают термодинамику в рамках физической и/или коллоидной химии. Это один из основополагающих предметов, понимание которого позволяет выполнять расчеты, необходимые для разработки новых технологических линий производства и оборудования для них, решения проблем в уже имеющихся технологических схемах.

Химической термодинамикой принято называть один из разделов физической химии, изучающий химические макросистемы и связанные с ними процессы на основе общих законов о превращениях теплоты, работы и энергии друг в друга.

Она основана на трех постулатах, которые чаще называют началами термодинамики. Они не имеют математической основы, а базируются на обобщении опытных данных, которые накоплены человечеством. Из этих законов выведены многочисленные следствия, положенные в основу описания окружающего мира.

Задачи

К основным задачам химической термодинамики можно отнести:

  • доскональное изучение, а также объяснение важнейших закономерностей, которые определяют направление химических процессов, скорости их протекания, условия, оказывающие на них влияние (среда, примеси, излучения и прочее);
  • расчет энергетического эффекта какого-либо химического или физико-химического процесса;
  • выявление условий максимального выхода продуктов реакции;
  • определение критериев состояния равновесия различных термодинамических систем;
  • установление необходимых критериев для самопроизвольного протекания того или иного физико-химического процесса.

химическое производство

Предмет и объект

Данный раздел науки не ставит перед собой цели объяснить природу или механизм какого-либо химического явления. Ее интересует исключительно энергетическая сторона происходящих процессов. Поэтому предметом химической термодинамики можно назвать энергию и законы превращения энергии в ходе химических реакций, растворении веществ при испарении и кристаллизации.

Эта наука дает возможность судить о том, способна ли протекать та или иная реакция в определенных условиях именно с энергетической стороны вопроса.

Объектами ее изучения называют тепловые балансы физико-химических процессов, фазовые переходы и химические равновесия. Причем только в макроскопических системах, то есть таких, которые состоят из огромного числа частиц.

Методы

Термодинамический раздел физической химии для решения основных своих задач пользуется теоретическими (расчетными) и практическими (экспериментальными) методами. Первая группа методов позволяет количественно связать разные свойства, и рассчитать одни из них, основываясь на опытных величинах других, пользуясь принципами термодинамики. Законы квантовой механики помогают установить способы описания и особенности движения частиц, связать величины, характеризующие их, с физическими параметрами, определяемыми в ходе опытов.

Исследовательские методы химической термодинамики делят на две группы:

  • Термодинамические. Они не учитывают природу конкретных веществ, не базируются ни на каких модельных представлениях об атомно-молекулярном строении веществ. Такие методы принято называть феноменологическими, то есть устанавливающими связи между наблюдаемыми величинами.
  • Статистические. Они основываются на строении вещества и квантовых эффектах, позволяют описывать поведение систем, опираясь на анализ процессов, происходящих на уровне атомов и составляющих их частиц.

экспериментальные методы исследования

Оба этих подхода имеют свои достоинства и недостатки.

Метод

Достоинства

Недостатки

Термодинамический

В связи с большой общностью достаточно прост и не требует дополнительных сведений, при этом решает конкретные задачи

Не раскрывает механизм процесса

Статистический

Помогает понять суть и механизм явления, поскольку основан на представлениях об атомах и молекулах

Требует основательной подготовки и большого объема знаний

Основные понятия химической термодинамики

Система – это любой материальный макроскопический объект изучения, обособленный от внешней среды, причем граница может быть как реальной, так и воображаемой.

Типы систем:

  • закрытая (замкнутая) — характеризуется постоянством общей массы, не происходит обмена веществом с внешней средой, однако энергетически обмен возможен;
  • открытая — обменивается с окружающей средой и энергией, и веществом;
  • изолированная — не обменивается с внешней средой ни энергией (теплотой, работой), ни веществом, при этом имеет постоянный объем;
  • адиабатически-изолированная — не имеет только теплового обмена с внешней средой, но может быть связана с ней работой.

Для обозначения способа обмена энергией и веществом используют понятия тепловых, механических и диффузионных контактов.

Параметрами состояния системы называют любые измеряемые макрохарактеристики состояния системы. Они могут быть:

  • интенсивными – не зависящими от массы (температура, давление);
  • экстенсивными (емкостными) – пропорциональными массе вещества (объем, теплоемкость, масса).

Все эти параметры заимствованы химической термодинамикой у физики и химии, но приобретают несколько иное содержание, поскольку рассматриваются в зависимости от температуры. Именно благодаря этой величине различные свойства связываются между собой.

Равновесным называют такое состоянием системы, в которое она приходит при постоянстве внешних условий и характеризуется временным постоянством термодинамических параметров, а также отсутствием в ней вещественных и тепловых потоков. Для данного состояния наблюдается постоянство давления, температуры и химического потенциала во всем объеме системы.

Равновесные и неравновесные процессы

В системе основных понятий химической термодинамики особое место занимает термодинамический процесс. Его определяют как изменения в состоянии системы, которые характеризуются изменениями одного или нескольких термодинамических параметров.

Изменения в состоянии системы возможны при разных условиях. В связи с этим различают равновесные и неравновесные процессы. Равновесный (или квазистатический) процесс рассматривается как ряд равновесных состояний какой-либо системы. При этом все параметры ее изменяются бесконечно медленно. Для протекания такого процесса необходимо соблюдение ряда условий:

  1. Бесконечно малая разница в значениях действующих и противодействующих сил (внутренне и внешнее давление и прочее).
  2. Бесконечно малая скорость процесса.
  3. Максимальная работа.
  4. Бесконечно малое изменение внешней силы меняет направление течение процесса на обратный.
  5. Значения работ прямых и обратных процессов равны, а пути их совпадают.

равновесная система

Процесс изменения неравновесного состояния системы на равновесное называют релаксацией, а длительность его – временем релаксации. В химической термодинамике зачастую принимают наибольшее значение времени релаксации для какого-либо процесса. Связано это с тем, что реальные системы легко выходят из состояния равновесия возникающими потоками энергии и/или вещества в системе и являются неравновесными.

Обратимые и необратимые процессы

Обратимым термодинамическим процессом называют переход системы из одного ее состояния в другое. Он может протекать не только в прямом направлении, но и в обратном, причем через одни и те же промежуточные состояния, при этом изменений в окружающей среде наблюдаться не будет.

Необратимым называют процесс, для которого невозможен переход системы из одного ее состояние в другое, не сопровождающийся изменениями в окружающей среде.

Необратимыми процессами являются:

  • теплопередача при конечной разности температур;
  • расширение газа в вакууме, поскольку при нем не совершается работа, а сжать газ без ее совершения невозможно;
  • диффузия, так как после удаления газы легко будут взаимно диффундировать, а обратный процесс без совершения работы невозможен.

газовая диффузия

Другие виды термодинамических процессов

Круговым процессом (циклом) называют такой процесс, в ходе которого система характеризовалась изменением своих свойств, а в его конце вернулась к исходным значениям.

В зависимости от значений температуры, объема и давления, характеризующих процесс, в химической термодинамике различают следующие его виды:

  • Изотермический (T = const).
  • Изобарический (P = const).
  • Изохорический (V = const).
  • Адиабатический (Q = const).

Законы химической термодинамики

Прежде чем рассматривать основные постулаты, необходимо вспомнить суть величин, характеризующих состояние различных систем.

Под внутренней энергией U системы понимают запас ее энергии, складывающийся из энергий движения и взаимодействия частиц, то есть всех видов энергии за исключением кинетической энергии и ее потенциальной энергии положения. Определить ее изменение ?U.

Энтальпию Н часто называют энергией расширенной системы, а также ее теплосодержанием. H=U+pV.

экзотермическая реакция

Теплотой Q называют неупорядоченную форму передачи энергии. Внутренняя теплота системы считается положительной (Q > 0), если тепло поглощается (эндотермический процесс). Отрицательна (Q < 0) она в том случае, если тепло выделяется (экзотермический процесс).

Работой А называют упорядоченную форму передачи энергии. Она считается положительной (A>0), если совершается системой против внешних сил, и отрицательной (A<0), если осуществляется внешними силами над системой.

Основным постулатом является первое начало термодинамики. Существует множество его формулировок, среди которых можно выделить следующую: «Переход энергии из одного вида в другой происходит в строго эквивалентных количествах».

Если система осуществляет переход из состояния 1 в состояние 2, сопровождающийся поглощением теплоты Q, которая, в свою очередь, тратится на изменение внутренней энергии ?U и совершение работы А, то математически этот постулат записывается уравнениями: Q=?U+A или δQ = dU + δA.

хаотическое движение, энтропия

Второй закон термодинамики, как и первый, не выведен теоретически, а носит статус постулата. Однако его достоверность подтверждают следствия из него соответствующие экспериментальным наблюдениям. В физической химии чаще встречается следующая формулировка: «У любой изолированной системы, которая не находится в состоянии равновесия, энтропия возрастает с течением времени, причем продолжается ее рост, пока система не войдет в состояние равновесия».

Математически этот постулат химической термодинамики имеет вид: dSизол≥0. Знак неравенства в данном случае указывает на неравновесность состояния, а знак «=» на равновесие.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий