Քիմիական թերմոդինամիկայի հիմունքների որոշ տարրեր սկսում են դիտարկվել ավագ դպրոցում: Քիմիայի դասերին ուսանողներն առաջին անգամ հանդիպում են այնպիսի հասկացությունների, ինչպիսիք են շրջելի և անշրջելի գործընթացները, քիմիական հավասարակշռությունը, ջերմային էֆեկտը և շատ այլ հասկացություններ: Դպրոցական ֆիզիկայի դասընթացից նրանք սովորում են ներքին էներգիայի, աշխատանքի, պոտենցիալների մասին, նույնիսկ ծանոթանում են թերմոդինամիկայի առաջին օրենքին։
Թերմոդինամիկայի սահմանում
Քիմիական ճարտարագիտական մասնագիտությունների բուհերի և քոլեջների ուսանողները թերմոդինամիկան մանրամասն ուսումնասիրում են ֆիզիկական և/կամ կոլոիդային քիմիայի շրջանակներում։ Սա հիմնարար առարկաներից մեկն է, որի ըմբռնումը թույլ է տալիս կատարել հաշվարկներ, որոնք անհրաժեշտ են դրանց համար նոր տեխնոլոգիական հոսքագծերի և սարքավորումների մշակման համար՝ լուծելով առկա տեխնոլոգիական սխեմաների խնդիրները։
Քիմիական թերմոդինամիկան սովորաբար կոչվում է ֆիզիկական քիմիայի այն ճյուղերից մեկը, որն ուսումնասիրում է քիմիական մակրոհամակարգերը և հարակից գործընթացները՝ հիմնվելով ջերմության, աշխատանքի և էներգիայի միմյանց փոխակերպման ընդհանուր օրենքների վրա:
Այն հիմնված է երեք պոստուլատների վրա, որոնք հաճախ կոչվում են թերմոդինամիկայի սկզբունքներ։ Նրանք չունենմաթեմատիկական հիմք, սակայն հիմնված են մարդկության կողմից կուտակված փորձարարական տվյալների ընդհանրացման վրա։ Բազմաթիվ հետևանքներ են բխում այս օրենքներից, որոնք հիմք են հանդիսանում շրջապատող աշխարհի նկարագրության համար:
Առաջադրանք
Քիմիական թերմոդինամիկայի հիմնական խնդիրները ներառում են՝
- մանրակրկիտ ուսումնասիրություն, ինչպես նաև քիմիական գործընթացների ուղղությունը, դրանց արագությունը, դրանց վրա ազդող պայմանները որոշող ամենակարևոր օրինաչափությունների բացատրությունը (միջավայր, կեղտեր, ճառագայթում և այլն);
- ցանկացած քիմիական կամ ֆիզիկաքիմիական գործընթացի էներգետիկ ազդեցության հաշվարկ;
- պայմանների հայտնաբերում ռեակցիայի արտադրանքի առավելագույն եկամտաբերության համար;
- տարբեր թերմոդինամիկական համակարգերի հավասարակշռության վիճակի չափանիշների որոշում;
- սահմանելով որոշակի ֆիզիկական և քիմիական գործընթացի ինքնաբուխ հոսքի համար անհրաժեշտ չափանիշներ:
Օբյեկտ և առարկա
Գիտության այս բաժինը նպատակ չունի բացատրել որևէ քիմիական երևույթի բնույթը կամ մեխանիզմը: Նրան հետաքրքրում է միայն ընթացող գործընթացների էներգետիկ կողմը։ Ուստի քիմիական թերմոդինամիկայի առարկան կարելի է անվանել էներգիա և էներգիայի փոխակերպման օրենքներ քիմիական ռեակցիաների, գոլորշիացման և բյուրեղացման ընթացքում նյութերի տարրալուծման ժամանակ։
Այս գիտությունը հնարավորություն է տալիս դատել, թե արդյոք այս կամ այն ռեակցիան ի վիճակի է որոշակի պայմաններում առաջանալ հենց հարցի էներգետիկ կողմից:
Նրա ուսումնասիրության օբյեկտները կոչվում են ֆիզիկական և քիմիական պրոցեսների ջերմային հավասարակշռություն, փուլանցումներ և քիմիական հավասարակշռություն: Եվ միայն մակրոսկոպիկ համակարգերում, այսինքն՝ նրանք, որոնք բաղկացած են հսկայական քանակությամբ մասնիկներից։
մեթոդներ
Ֆիզիկական քիմիայի թերմոդինամիկական բաժինը իր հիմնական խնդիրները լուծելու համար օգտագործում է տեսական (հաշվարկային) և գործնական (փորձարարական) մեթոդներ։ Մեթոդների առաջին խումբը թույլ է տալիս քանակապես կապել տարբեր հատկություններ և հաշվարկել դրանցից մի քանիսը` հիմնվելով մյուսների փորձարարական արժեքների վրա, օգտագործելով թերմոդինամիկայի սկզբունքները: Քվանտային մեխանիկայի օրենքներն օգնում են հաստատել մասնիկների շարժման նկարագրության ձևերն ու առանձնահատկությունները, դրանք բնութագրող մեծությունները կապել փորձերի ընթացքում որոշված ֆիզիկական պարամետրերի հետ։
Քիմիական թերմոդինամիկայի հետազոտության մեթոդները բաժանվում են երկու խմբի՝
- Թերմոդինամիկ. Նրանք հաշվի չեն առնում կոնկրետ նյութերի բնույթը և հիմնված չեն նյութերի ատոմային և մոլեկուլային կառուցվածքի վերաբերյալ որևէ մոդելային գաղափարի վրա։ Նման մեթոդները սովորաբար կոչվում են ֆենոմենոլոգիական, այսինքն՝ դիտվող մեծությունների միջև հարաբերություններ հաստատելը։
- Վիճակագրական. Դրանք հիմնված են նյութի կառուցվածքի և քվանտային էֆեկտների վրա, թույլ են տալիս նկարագրել համակարգերի վարքագիծը՝ հիմնված ատոմների և դրանց բաղկացուցիչ մասնիկների մակարդակում տեղի ունեցող գործընթացների վերլուծության վրա։
Այս երկու մոտեցումներն էլ ունեն իրենց առավելություններն ու թերությունները:
| Մեթոդ | Արժանապատվություն | Թերություններ |
| Ջերմոդինամիկ |
Պայմանավորված է մեծընդհանրությունը բավականին պարզ է և չի պահանջում լրացուցիչ տեղեկատվություն՝ միաժամանակ կոնկրետ խնդիրներ լուծելով |
Չի բացահայտում գործընթացի մեխանիզմը |
| վիճակագրական | Օգնում է հասկանալ երևույթի էությունն ու մեխանիզմը, քանի որ այն հիմնված է ատոմների և մոլեկուլների մասին պատկերացումների վրա | Պահանջում է մանրակրկիտ նախապատրաստություն և մեծ քանակությամբ գիտելիքներ |
Քիմիական թերմոդինամիկայի հիմնական հասկացությունները
Համակարգը ցանկացած նյութական մակրոսկոպիկ ուսումնասիրության օբյեկտ է, որը մեկուսացված է արտաքին միջավայրից, և սահմանը կարող է լինել և իրական և երևակայական:
Համակարգերի տեսակները՝
- փակ (փակ) - բնութագրվում է ընդհանուր զանգվածի կայունությամբ, շրջակա միջավայրի հետ նյութի փոխանակում չկա, սակայն հնարավոր է էներգիայի փոխանակում;
- բաց - փոխանակում է ինչպես էներգիան, այնպես էլ նյութը շրջակա միջավայրի հետ;
- մեկուսացված - չի փոխանակում էներգիա (ջերմություն, աշխատանք) կամ նյութ արտաքին միջավայրի հետ, մինչդեռ այն ունի հաստատուն ծավալ;
- ադիաբատիկ-մեկուսացված - ունի ոչ միայն ջերմափոխանակություն շրջակա միջավայրի հետ, այլ կարող է կապված լինել աշխատանքի հետ:
Ջերմային, մեխանիկական և դիֆուզիոն կոնտակտների հասկացությունները օգտագործվում են էներգիայի և նյութափոխանակության մեթոդը ցույց տալու համար:
Համակարգի վիճակի պարամետրերը համակարգի վիճակի ցանկացած չափելի մակրոբնութագիր են: Դրանք կարող են լինել՝
- ինտենսիվ - անկախ զանգվածից (ջերմաստիճանից, ճնշումից);
- ընդարձակ (հզոր) - նյութի զանգվածին համաչափ (ծավալ,ջերմային հզորություն, զանգված).
Այս բոլոր պարամետրերը փոխառված են քիմիական թերմոդինամիկայով ֆիզիկայից և քիմիայից, բայց ձեռք են բերում մի փոքր այլ բովանդակություն, քանի որ դրանք դիտարկվում են կախված ջերմաստիճանից: Այս արժեքի շնորհիվ է, որ տարբեր հատկություններ փոխկապակցված են:
Հավասարակշռությունը համակարգի վիճակ է, երբ այն հայտնվում է մշտական արտաքին պայմաններում և բնութագրվում է թերմոդինամիկական պարամետրերի ժամանակավոր կայունությամբ, ինչպես նաև դրանում նյութի և ջերմային հոսքերի բացակայությամբ: Այս վիճակի համար ճնշման, ջերմաստիճանի և քիմիական ներուժի կայունությունը դիտվում է համակարգի ողջ ծավալում։
Հավասարակշռային և ոչ հավասարակշռված գործընթացներ
Թերմոդինամիկական պրոցեսը հատուկ տեղ է գրավում քիմիական թերմոդինամիկայի հիմնական հասկացությունների համակարգում։ Այն սահմանվում է որպես համակարգի վիճակի փոփոխություններ, որոնք բնութագրվում են մեկ կամ մի քանի թերմոդինամիկական պարամետրերի փոփոխություններով:
Համակարգի վիճակի փոփոխությունները հնարավոր են տարբեր պայմաններում։ Այս առումով տարբերակում են հավասարակշռված և ոչ հավասարակշռված գործընթացները: Հավասարակշռության (կամ քվազի-ստատիկ) գործընթացը համարվում է որպես համակարգի հավասարակշռության վիճակների շարք: Այս դեպքում նրա բոլոր պարամետրերը փոխվում են անսահման դանդաղ։ Որպեսզի նման գործընթաց տեղի ունենա, պետք է պահպանվեն մի շարք պայմաններ՝
- Անսահման փոքր տարբերություն գործող և հակառակ ուժերի արժեքների մեջ (ներքին և արտաքին ճնշում և այլն):
- Գործընթացի անսահման դանդաղ արագություն:
- Առավելագույն աշխատանք.
- Արտաքին ուժի անվերջ փոքր փոփոխությունը փոխում է հոսքի ուղղությունըհակադարձ ընթացք։
- Ուղիղ և հակադարձ գործընթացների աշխատանքի արժեքները հավասար են, և դրանց ուղիները նույնն են:
Համակարգի ոչ հավասարակշռված վիճակը հավասարակշռության փոխելու գործընթացը կոչվում է թուլացում, իսկ դրա տևողությունը՝ հանգստի ժամանակ։ Քիմիական թերմոդինամիկայի մեջ հաճախ ընդունվում է ցանկացած գործընթացի հանգստի ժամանակի ամենամեծ արժեքը: Դա պայմանավորված է նրանով, որ իրական համակարգերը հեշտությամբ հեռանում են հավասարակշռության վիճակից համակարգում առաջացող էներգիայի և/կամ նյութի հոսքերի հետ և անհավասարակշիռ են:
Վերադարձելի և անշրջելի գործընթացներ
Վերադարձելի թերմոդինամիկական պրոցեսը համակարգի անցումն է իր վիճակներից մյուսին: Այն կարող է հոսել ոչ միայն առաջ, այլ նաև հակառակ ուղղությամբ, ընդ որում՝ նույն միջանկյալ վիճակներով, մինչդեռ միջավայրում փոփոխություններ չեն լինի։
Անշրջելի է գործընթաց, որի դեպքում համակարգի անցումը մի վիճակից մյուսին անհնար է, չի ուղեկցվում շրջակա միջավայրի փոփոխություններով:
Անդառնալի գործընթացներն են՝
- ջերմության փոխանցում վերջավոր ջերմաստիճանի տարբերությամբ;
- գազի ընդարձակում վակուումում, քանի որ դրա ընթացքում ոչ մի աշխատանք չի կատարվում, և առանց դրա հնարավոր չէ սեղմել գազը;
- դիֆուզիա, քանի որ հեռացումից հետո գազերը հեշտությամբ կցրվեն փոխադարձաբար, իսկ հակառակ գործընթացը անհնար է առանց աշխատանք կատարելու։
Թերմոդինամիկական գործընթացների այլ տեսակներ
Շրջանաձև պրոցեսը (ցիկլը) այդպիսի գործընթաց է, ընթացքումորը համակարգը բնութագրվում էր իր հատկությունների փոփոխությամբ և վերջում վերադարձավ իր սկզբնական արժեքներին:
Կախված գործընթացը բնութագրող ջերմաստիճանի, ծավալի և ճնշման արժեքներից՝ քիմիական թերմոդինամիկայի մեջ առանձնանում են գործընթացների հետևյալ տեսակները՝
- Isothermal (T=const).
- Իզոբարիկ (P=Const).
- Isochoric (V=const).
- Ադիաբատիկ (Q=Const).
Քիմիական թերմոդինամիկայի օրենքներ
Հիմնական պոստուլատները դիտարկելուց առաջ անհրաժեշտ է հիշել տարբեր համակարգերի վիճակը բնութագրող մեծությունների էությունը:
Համակարգի ներքին էներգիան U հասկացվում է որպես նրա էներգիայի պաշար, որը բաղկացած է շարժման էներգիաներից և մասնիկների փոխազդեցությունից, այսինքն՝ էներգիայի բոլոր տեսակներից, բացառությամբ կինետիկ էներգիայի և նրա դիրքի պոտենցիալ էներգիայի։. Որոշեք դրա փոփոխությունը ∆U.
Էնթալպիա H հաճախ կոչվում է ընդլայնված համակարգի էներգիա, ինչպես նաև դրա ջերմային պարունակություն: H=U+pV.
Heat Q-ն էներգիայի փոխանցման խանգարված ձև է: Համակարգի ներքին ջերմությունը համարվում է դրական (Q > 0), եթե ջերմությունը ներծծվում է (էնդոթերմիկ պրոցես): Այն բացասական է (Q < 0), եթե ջերմություն է արտանետվում (էկզոտերմիկ գործընթաց):
Աշխատանքը էներգիայի փոխանցման կարգավորված ձև է: Այն համարվում է դրական (A>0), եթե այն իրականացվում է համակարգի կողմից արտաքին ուժերի դեմ, և բացասական (A<0), եթե այն իրականացվում է համակարգի արտաքին ուժերի կողմից:
Հիմնական պոստուլատը թերմոդինամիկայի առաջին օրենքն է: Կան բազմաթիվնրա ձևակերպումները, որոնցից կարելի է առանձնացնել հետևյալը. «Էներգիայի անցումը մի տեսակից մյուսը տեղի է ունենում խիստ համարժեք քանակություններով»:
Եթե համակարգը անցում է կատարում 1 վիճակից դեպի 2 վիճակ, որն ուղեկցվում է Q ջերմության կլանմամբ, որն իր հերթին ծախսվում է ΔU ներքին էներգիան փոխելու և A աշխատանքը կատարելու վրա, ապա մաթեմատիկորեն այս պոստուլատը հետևյալն է. գրված է հավասարումներով՝ Q=∆U +A կամ δQ=dU + δA։
Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը, ինչպես և առաջինը, տեսականորեն չի ստացվել, այլ ունի պոստուլատի կարգավիճակ։ Այնուամենայնիվ, դրա հուսալիությունը հաստատվում է փորձարարական դիտարկումներին համապատասխանող հետևանքներով։ Ֆիզիկական քիմիայում ավելի տարածված է հետևյալ ձևակերպումը. «Ցանկացած մեկուսացված համակարգի համար, որը հավասարակշռության վիճակում չէ, էնտրոպիան ժամանակի ընթացքում մեծանում է, և դրա աճը շարունակվում է այնքան ժամանակ, մինչև համակարգը մտնի հավասարակշռության վիճակ»:
Մաթեմատիկորեն քիմիական թերմոդինամիկայի այս պոստուլատն ունի ձև՝ dSisol≧0: Անհավասարության նշանն այս դեպքում ցույց է տալիս անհավասարակշռություն, իսկ «=» նշանը՝ հավասարակշռություն։
