Neki elementi osnova kemijske termodinamike počinju se razmatrati u srednjoj školi. U nastavi kemije učenici se po prvi put susreću s pojmovima kao što su reverzibilni i nepovratni procesi, kemijska ravnoteža, toplinski učinak i mnogi drugi. Iz školskog kolegija fizike uče o unutarnjoj energiji, radu, potencijalima, pa čak i upoznaju prvi zakon termodinamike.
Definicija termodinamike
Studenti sveučilišta i visokih škola kemijskog inženjerstva detaljno proučavaju termodinamiku u okviru fizikalne i/ili koloidne kemije. Ovo je jedan od temeljnih predmeta čije vam razumijevanje omogućuje izvođenje proračuna potrebnih za razvoj novih tehnoloških proizvodnih linija i opreme za njih, rješavanje problema u postojećim tehnološkim shemama.
Kemijska termodinamika se obično naziva jednom od grana fizičke kemije koja proučava kemijske makrosustave i srodne procese na temelju općih zakona o transformaciji topline, rada i energije jedne u druge.
Bazi se na tri postulata, koji se često nazivaju principima termodinamike. Oni nemajumatematičkoj osnovi, ali se temelje na generalizaciji eksperimentalnih podataka koje je prikupilo čovječanstvo. Brojne posljedice proizlaze iz ovih zakona, koji čine osnovu opisa okolnog svijeta.
Zadaci
Glavni zadaci kemijske termodinamike uključuju:
- temeljita studija, kao i objašnjenje najvažnijih obrazaca koji određuju smjer kemijskih procesa, njihovu brzinu, uvjete koji na njih utječu (okolina, nečistoće, zračenje, itd.);
- izračun energetskog učinka bilo kojeg kemijskog ili fizikalno-kemijskog procesa;
- detekcija uvjeta za maksimalni prinos produkta reakcije;
- određivanje kriterija za ravnotežno stanje različitih termodinamičkih sustava;
- uspostavljanje potrebnih kriterija za spontani tijek određenog fizičkog i kemijskog procesa.
Objekat i objekt
Ovaj dio znanosti nema za cilj objasniti prirodu ili mehanizam bilo kojeg kemijskog fenomena. Zanima je samo energetska strana procesa koji su u tijeku. Stoga se predmet kemijske termodinamike može nazvati energija i zakoni pretvorbe energije u tijeku kemijskih reakcija, otapanje tvari tijekom isparavanja i kristalizacije.
Ova znanost omogućuje prosuđivanje može li se ova ili ona reakcija odvijati pod određenim uvjetima upravo s energetske strane problema.
Objekti njegovog proučavanja nazivaju se toplinske bilance fizikalnih i kemijskih procesa, fazaprijelazi i kemijske ravnoteže. I to samo u makroskopskim sustavima, odnosno onima koji se sastoje od ogromnog broja čestica.
Metode
Termodinamički dio fizičke kemije koristi teorijske (proračunske) i praktične (eksperimentalne) metode za rješavanje svojih glavnih problema. Prva skupina metoda omogućuje vam da kvantitativno povežete različita svojstva i izračunate neka od njih na temelju eksperimentalnih vrijednosti drugih, koristeći principe termodinamike. Zakoni kvantne mehanike pomažu uspostaviti načine opisivanja i značajke gibanja čestica, povezati veličine koje ih karakteriziraju s fizičkim parametrima određenim tijekom eksperimenata.
Metode istraživanja kemijske termodinamike podijeljene su u dvije grupe:
- Termodinamički. Oni ne uzimaju u obzir prirodu specifičnih tvari i ne temelje se ni na kakvim modelskim idejama o atomskoj i molekularnoj strukturi tvari. Takve se metode obično nazivaju fenomenološkim, odnosno uspostavljanjem odnosa između promatranih veličina.
- Statistički. Temelje se na strukturi materije i kvantnim efektima, omogućuju opisivanje ponašanja sustava na temelju analize procesa koji se odvijaju na razini atoma i njihovih sastavnih čestica.
Oba ova pristupa imaju svoje prednosti i nedostatke.
| Metoda | Dostojanstvo | Nedostaci |
| Termodinamički | Zbog velikogopćenitost je prilično jednostavna i ne zahtijeva dodatne informacije, dok rješava specifične probleme | Ne otkriva mehanizam procesa |
| Statistički | Pomaže razumjeti suštinu i mehanizam fenomena, budući da se temelji na idejama o atomima i molekulama | Zahtijeva temeljitu pripremu i veliku količinu znanja |
Osnovni koncepti kemijske termodinamike
Sustav je svaki materijalni makroskopski objekt proučavanja, izoliran od vanjskog okruženja, a granica može biti i stvarna i imaginarna.
Vrste sustava:
- zatvoren (zatvoren) - karakterizira postojanost ukupne mase, nema izmjene tvari s okolinom, međutim, moguća je izmjena energije;
- otvoreno - razmjenjuje energiju i materiju s okolinom;
- izolirano - ne izmjenjuje energiju (toplinu, rad) ili materiju s vanjskim okruženjem, dok ima stalan volumen;
- adijabatski izoliran - nema samo izmjenu topline s okolinom, već se može povezati s radom.
Koncepti toplinskih, mehaničkih i difuzijskih kontakata koriste se za označavanje metode razmjene energije i tvari.
Parametri stanja sustava su sve mjerljive makrokarakteristike stanja sustava. Mogu biti:
- intenzivan - neovisno o masi (temperatura, tlak);
- ekstenzivno (kapacitivno) - proporcionalno masi tvari (volumen,toplinski kapacitet, masa).
Sve ove parametre kemijska termodinamika posuđuje iz fizike i kemije, ali dobivaju nešto drugačiji sadržaj, budući da se smatraju ovisno o temperaturi. Zahvaljujući ovoj vrijednosti različita svojstva su međusobno povezana.
Ravnoteža je stanje sustava u kojem se nalazi u stalnim vanjskim uvjetima i karakterizira ga privremena postojanost termodinamičkih parametara, kao i odsutnost materijalnih i toplinskih tokova u njemu. Za ovo stanje, konstantnost tlaka, temperature i kemijskog potencijala promatra se u cijelom volumenu sustava.
Ravnotežni i neravnotežni procesi
Termodinamički proces zauzima posebno mjesto u sustavu osnovnih pojmova kemijske termodinamike. Definira se kao promjene stanja sustava koje karakteriziraju promjene u jednom ili više termodinamičkih parametara.
Promjene stanja sustava moguće su pod različitim uvjetima. S tim u vezi pravi se razlika između ravnotežnih i neravnotežnih procesa. Ravnotežni (ili kvazistatički) proces se smatra nizom ravnotežnih stanja sustava. U tom se slučaju svi njegovi parametri mijenjaju beskonačno sporo. Da bi se takav proces odvijao, moraju biti ispunjeni brojni uvjeti:
- Beskonačno mala razlika u vrijednostima djelujućih i suprotstavljenih sila (unutarnji i vanjski pritisak, itd.).
- Beskonačno spora brzina procesa.
- Maksimalni rad.
- Beskonačno mala promjena vanjske sile mijenja smjer tokaobrnuti proces.
- Vrijednosti rada izravnog i obrnutog procesa su jednake, a putevi su im isti.
Proces promjene neravnotežnog stanja sustava u ravnotežno naziva se relaksacija, a njegovo trajanje naziva se vrijeme opuštanja. U kemijskoj termodinamici često se uzima najveća vrijednost vremena relaksacije za bilo koji proces. To je zbog činjenice da stvarni sustavi lako napuštaju stanje ravnoteže s nastalim tokovima energije i/ili tvari u sustavu i nisu u ravnoteži.
Povratni i nepovratni procesi
Reverzibilni termodinamički proces je prijelaz sustava iz jednog od njegovih stanja u drugo. Može teći ne samo u smjeru naprijed, već i u suprotnom smjeru, štoviše, kroz ista međustanja, dok u okolini neće biti promjena.
Nepovratni je proces za koji je nemoguć prijelaz sustava iz jednog stanja u drugo, a nije popraćen promjenama u okruženju.
Nepovratni procesi su:
- prijenos topline pri konačnoj temperaturnoj razlici;
- širenje plina u vakuumu, budući da se tijekom njega ne obavlja nikakav rad i nemoguće je komprimirati plin bez toga;
- difuzija, budući da će se plinovi nakon uklanjanja lako međusobno difundirati, a obrnuti proces je nemoguć bez obavljanja posla.
Druge vrste termodinamičkih procesa
Kružni proces (ciklus) je takav proces, tijekomza koji je sustav karakterizirala promjena njegovih svojstava, a na kraju se vratio na svoje izvorne vrijednosti.
Ovisno o vrijednostima temperature, volumena i tlaka koji karakteriziraju proces, u kemijskoj termodinamici razlikuju se sljedeće vrste procesa:
- Izotermno (T=konst).
- Izobarični (P=konst).
- Izohorni (V=konst).
- adijabatski (Q=konst).
Zakoni kemijske termodinamike
Prije razmatranja glavnih postulata, potrebno je zapamtiti bit veličina koje karakteriziraju stanje različitih sustava.
Unutarnja energija U sustava shvaća se kao zaliha njegove energije, koja se sastoji od energija gibanja i interakcije čestica, odnosno svih vrsta energije osim kinetičke energije i njezine potencijalne energije položaja. Odredi njegovu promjenu ∆U.
Entalpija H se često naziva energija proširenog sustava, kao i njegov toplinski sadržaj. H=U+pV.
Heat Q je neuređeni oblik prijenosa energije. Unutarnja toplina sustava smatra se pozitivnom (Q > 0) ako se toplina apsorbira (endotermni proces). Negativan je (Q < 0) ako se toplina oslobađa (egzotermni proces).
Rad A je uređeni oblik prijenosa energije. Smatra se pozitivnim (A>0) ako ga sustav izvodi protiv vanjskih sila, a negativnim (A<0) ako ga izvode vanjske sile na sustav.
Osnovni postulat je prvi zakon termodinamike. Ima ih mnogonjegove formulacije, među kojima se mogu razlikovati sljedeće: "Prijelaz energije iz jedne vrste u drugu događa se u strogo ekvivalentnim količinama."
Ako sustav napravi prijelaz iz stanja 1 u stanje 2, praćen apsorpcijom topline Q, koja se, pak, troši na promjenu unutarnje energije ∆U i obavljanje rada A, tada je matematički ovaj postulat napisano jednadžbama: Q=∆U +A ili δQ=dU + δA.
Drugi zakon termodinamike, kao i prvi, nije izveden teoretski, već ima status postulata. Međutim, njegovu pouzdanost potvrđuju posljedice koje odgovaraju eksperimentalnim opažanjima. U fizikalnoj kemiji češća je sljedeća formulacija: "Za bilo koji izolirani sustav koji nije u stanju ravnoteže, entropija raste s vremenom, a njen rast se nastavlja sve dok sustav ne uđe u stanje ravnoteže."
Matematički, ovaj postulat kemijske termodinamike ima oblik: dSisol≧0. Znak nejednakosti u ovom slučaju označava neravnotežno stanje, a znak "=" označava ravnotežu.
