Химиялық термодинамика негіздерінің кейбір элементтері орта мектепте қарастырыла бастайды. Химия сабақтарында студенттер алғаш рет қайтымды және қайтымсыз процестер, химиялық тепе-теңдік, жылу эффектісі және тағы басқа ұғымдармен кездеседі. Мектептегі физика курсынан олар ішкі энергия, жұмыс, потенциалдар туралы білім алады, тіпті термодинамиканың бірінші заңымен де танысады.
Термодинамиканың анықтамасы
Химиялық инженерия мамандықтары бойынша университеттер мен колледждердің студенттері физикалық және/немесе коллоидтық химия аясында термодинамиканы егжей-тегжейлі оқиды. Бұл іргелі пәндердің бірі, оны түсіну жаңа технологиялық өндіріс желілерін және олар үшін жабдықтарды әзірлеуге, қолданыстағы технологиялық схемалардағы мәселелерді шешуге қажетті есептеулерді жүргізуге мүмкіндік береді.
Химиялық термодинамика әдетте жылудың, жұмыстың және энергияның бір-біріне айналуының жалпы заңдарына негізделген химиялық макрожүйелерді және соған байланысты процестерді зерттейтін физикалық химияның бір саласы деп аталады.
Ол көбінесе термодинамика принциптері деп аталатын үш постулатқа негізделген. Оларда жоқматематикалық негізде, бірақ адамзат жинақтаған эксперименттік мәліметтерді жалпылауға негізделген. Қоршаған әлемді сипаттаудың негізін құрайтын осы заңдардан көптеген салдарлар шығады.
Тапсырмалар
Химиялық термодинамиканың негізгі міндеттеріне мыналар жатады:
- жан-жақты зерттеу, сонымен қатар химиялық процестердің бағытын, олардың жылдамдығын, оларға әсер ететін жағдайларды (қоршаған орта, қоспалар, радиация және т.б.) анықтайтын маңызды заңдылықтарды түсіндіру;
- кез келген химиялық немесе физика-химиялық процестің энергетикалық әсерін есептеу;
- реакция өнімдерінің максималды шығымдылығы үшін шарттарды анықтау;
- әртүрлі термодинамикалық жүйелердің тепе-теңдік күйінің критерийлерін анықтау;
- белгілі бір физикалық және химиялық процестің өздігінен жүруі үшін қажетті критерийлерді белгілеу.
Нысан және нысан
Ғылымның бұл бөлімі кез келген химиялық құбылыстың табиғатын немесе механизмін түсіндіруді мақсат етпейді. Оны тек жүріп жатқан процестердің энергетикалық жағы қызықтырады. Сондықтан химиялық термодинамика пәнін энергия және химиялық реакциялар барысында заттардың булану және кристалдану кезіндегі еруі энергияның түрлену заңдары деп атауға болады.
Бұл ғылым осы немесе басқа реакцияның белгілі бір жағдайларда нақты энергетикалық жағынан жүруге қабілеттілігін анықтауға мүмкіндік береді.
Оның зерттеу объектілері физикалық және химиялық процестердің жылу баланстары, фазасы деп аталадыауысулар және химиялық тепе-теңдік. Және тек макроскопиялық жүйелерде, яғни бөлшектердің үлкен санынан тұратын жүйелерде.
Әдістер
Физикалық химияның термодинамикалық бөлімі өзінің негізгі мәселелерін шешу үшін теориялық (есептеу) және практикалық (эксперименттік) әдістерді пайдаланады. Әдістердің бірінші тобы әртүрлі қасиеттерді сандық түрде байланыстыруға және олардың кейбіреулерін термодинамика принциптерін пайдалана отырып, басқаларының эксперименттік мәндері негізінде есептеуге мүмкіндік береді. Кванттық механика заңдары бөлшектердің қозғалысын сипаттау тәсілдері мен ерекшеліктерін белгілеуге, оларды сипаттайтын шамаларды тәжірибе барысында анықталған физикалық параметрлермен байланыстыруға көмектеседі.
Химиялық термодинамиканың зерттеу әдістері екі топқа бөлінеді:
- Термодинамикалық. Олар нақты заттардың табиғатын ескермейді және заттардың атомдық және молекулалық құрылысы туралы ешқандай үлгілік идеяларға негізделмейді. Мұндай әдістер әдетте феноменологиялық деп аталады, яғни байқалатын шамалар арасындағы байланыстарды орнату.
- Статистикалық. Олар заттың құрылымына және кванттық әсерлерге негізделген, атомдар мен олардың құрамдас бөлшектері деңгейінде жүретін процестерді талдау негізінде жүйелердің әрекетін сипаттауға мүмкіндік береді.
Бұл екі тәсілдің де артықшылықтары мен кемшіліктері бар.
| Әдіс | Қадір | Кемшіліктер |
| Термодинамикалық | Үлкенге байланыстыжалпылық өте қарапайым және нақты есептерді шешу кезінде қосымша ақпаратты қажет етпейді |
Процесс механизмін ашпайды |
| Статистикалық | Құбылыстың мәні мен механизмін түсінуге көмектеседі, өйткені ол атомдар мен молекулалар туралы идеяларға негізделген | Тұқият дайындық пен үлкен білім қажет |
Химиялық термодинамиканың негізгі түсініктері
Жүйе – сыртқы ортадан оқшауланған кез келген материалдық макроскопиялық зерттеу объектісі және шекара нақты да, ойдан да болуы мүмкін.
Жүйе түрлері:
- жабық (жабық) – жалпы массаның тұрақтылығымен сипатталады, қоршаған ортамен зат алмасу болмайды, алайда энергия алмасу мүмкін;
- ашық - қоршаған ортамен энергияны да, затты да алмасады;
- оқшауланған - тұрақты көлемге ие болған кезде сыртқы ортамен энергия (жылу, жұмыс) немесе зат алмаспайды;
- адиабаталық оқшауланған - қоршаған ортамен жылу алмасу ғана емес, жұмыспен байланысты болуы мүмкін.
Термиялық, механикалық және диффузиялық контактілер ұғымдары энергия мен зат алмасу әдісін көрсету үшін пайдаланылады.
Жүйе күйінің параметрлері жүйе күйінің кез келген өлшенетін макросипаттамасы болып табылады. Олар мыналар болуы мүмкін:
- интенсивті - массаға тәуелсіз (температура, қысым);
- экстенсивті (сыйымдылық) - заттың массасына пропорционал (көлемі,жылу сыйымдылығы, массасы).
Бұл параметрлердің барлығы физика мен химиядан химиялық термодинамикадан алынған, бірақ олар температураға байланысты қарастырылатындықтан сәл басқаша мазмұнға ие. Дәл осы мәннің арқасында әртүрлі сипаттар өзара байланысты.
Тепе-теңдік – жүйенің тұрақты сыртқы жағдайларда болатын күйі және термодинамикалық параметрлердің уақытша тұрақтылығымен, сонымен қатар ондағы материал мен жылу ағындарының болмауымен сипатталады. Бұл күй үшін қысымның, температураның және химиялық потенциалдың тұрақтылығы жүйенің бүкіл көлемінде байқалады.
Тепе-теңдік және тепе-теңдік емес процестер
Химиялық термодинамиканың негізгі түсініктер жүйесінде термодинамикалық процесс ерекше орын алады. Ол бір немесе бірнеше термодинамикалық параметрлердің өзгеруімен сипатталатын жүйе күйіндегі өзгерістер ретінде анықталады.
Жүйе күйінің өзгеруі әртүрлі жағдайларда мүмкін. Осыған байланысты тепе-теңдік пен тепе-теңдік емес процестерді ажыратады. Тепе-теңдік (немесе квазистатикалық) процесс жүйенің тепе-теңдік күйлерінің тізбегі ретінде қарастырылады. Бұл жағдайда оның барлық параметрлері шексіз баяу өзгереді. Мұндай процесс орын алу үшін бірқатар шарттар орындалуы керек:
- Әсер ететін және қарама-қарсы күштердің мәндеріндегі шексіз аз айырмашылық (ішкі және сыртқы қысым және т.б.).
- Процесстің шексіз баяу жылдамдығы.
- Ең көп жұмыс.
- Сыртқы күштің шексіз аз өзгерісі ағынның бағытын өзгертедікері процесс.
- Тіке және кері процестер жұмысының мәндері тең және олардың жолдары бірдей.
Жүйенің тепе-теңдік емес күйінің тепе-теңдікке ауысу процесі релаксация, ал оның ұзақтығы релаксация уақыты деп аталады. Химиялық термодинамикада кез келген процесс үшін релаксация уақытының ең үлкен мәні жиі қабылданады. Бұл нақты жүйелердің жүйеде пайда болатын энергия және/немесе материя ағындарымен тепе-теңдік күйінен оңай шығып кетуіне және тепе-теңдікке жатпайтындығына байланысты.
Қайтарылатын және қайтымсыз процестер
Қайтымды термодинамикалық процесс – жүйенің бір күйден екінші күйге ауысуы. Ол тек алға бағытта ғана емес, сонымен қатар қарама-қарсы бағытта да ағуы мүмкін, оның үстіне сол аралық күйлер арқылы қоршаған ортада ешқандай өзгерістер болмайды.
Қайтымсыз - бұл жүйенің бір күйден екінші күйге ауысуы мүмкін емес, қоршаған ортаның өзгеруімен бірге жүрмейтін процесс.
Қайтымсыз процестер:
- шектік температура айырмашылығында жылу беру;
- вакуумда газдың кеңеюі, өйткені ол кезінде ешқандай жұмыс жасалмайды және оны жасамай газды сығу мүмкін емес;
- диффузия, өйткені шығарылғаннан кейін газдар өзара оңай таралады және жұмыссыз кері процесс мүмкін емес.
Термодинамикалық процестердің басқа түрлері
Дөңгелек процесс (цикл) осындай процесс, кезіндебұл жүйе өзінің қасиеттерінің өзгеруімен сипатталды және оның соңында бастапқы мәндеріне оралды.
Процессті сипаттайтын температураның, көлемнің және қысымның мәндеріне байланысты химиялық термодинамикада процестің келесі түрлері бөлінеді:
- Изотермиялық (T=тұрақты).
- Изобарикалық (P=const).
- Изохоралық (V=const).
- Адиабаттық (Q=тұрақты).
Химиялық термодинамика заңдары
Негізгі постулаттарды қарастырмас бұрын әртүрлі жүйелердің күйін сипаттайтын шамалардың мәнін есте сақтау қажет.
Жүйенің ішкі энергиясы U деп бөлшектердің қозғалысы мен әрекеттесу энергияларынан тұратын оның энергиясының қоры түсініледі, яғни кинетикалық энергиядан және оның потенциалдық орналасу энергиясынан басқа барлық энергия түрлерінен тұрады.. Оның өзгерісін анықтаңыз ∆U.
Энтальпия H жиі кеңейтілген жүйенің энергиясы, сондай-ақ оның жылу мөлшері деп аталады. H=U+pV.
Жылу Q – энергия тасымалдаудың ретсіз түрі. Жүйенің ішкі жылуы оң деп есептеледі (Q > 0), егер жылу жұтылатын болса (эндотермиялық процесс). Егер жылу бөлінсе (экзотермиялық процесс) теріс болады (Q < 0).
А жұмысы энергияны тасымалдаудың реттелген түрі болып табылады. Оны жүйе сыртқы күштерге қарсы орындаса, оң (A>0), ал жүйеге сыртқы күштер орындаса теріс (A<0) болып саналады.
Негізгі постулат – термодинамиканың бірінші заңы. Мұнда көптеген бароның тұжырымдары, олардың арасында мыналарды бөліп көрсетуге болады: "Энергияның бір түрден екінші түрге ауысуы қатаң эквивалентті мөлшерде жүреді."
Егер жүйе 1-ші күйден 2-ші күйге ауысса, Q жылуды жұтумен бірге жүрсе, ол өз кезегінде ішкі энергияны ∆U өзгертуге және А жұмысын орындауға жұмсалса, онда математикалық тұрғыдан бұл постулат теңдеулер арқылы жазылады: Q=∆U +A немесе δQ=dU + δA.
Термодинамиканың екінші заңы, біріншісі сияқты, теориялық түрде шығарылмаған, бірақ постулат мәртебесіне ие. Дегенмен, оның сенімділігі эксперименттік бақылауларға сәйкес келетін салдарымен расталады. Физикалық химияда келесі тұжырым жиі кездеседі: "Тепе-теңдік күйінде емес кез келген оқшауланған жүйе үшін энтропия уақыт өте келе артады және оның өсуі жүйе тепе-теңдік күйіне өткенше жалғасады."
Математикалық тұрғыдан химиялық термодинамиканың бұл постулатының пішіні бар: dSisol≧0. Бұл жағдайда теңсіздік белгісі тепе-теңдік емес күйді, ал "=" белгісі тепе-теңдікті көрсетеді.
