Neki elementi osnova hemijske termodinamike počinju da se razmatraju u srednjoj školi. Na časovima hemije učenici se po prvi put susreću sa pojmovima kao što su reverzibilni i ireverzibilni procesi, hemijska ravnoteža, toplotni efekat i mnogi drugi. Iz školskog kursa fizike uče o unutrašnjoj energiji, radu, potencijalima, pa se čak i upoznaju sa prvim zakonom termodinamike.
Definicija termodinamike
Studenti univerziteta i fakulteta hemijskog inženjerstva detaljno proučavaju termodinamiku u okviru fizičke i/ili koloidne hemije. Ovo je jedan od osnovnih predmeta čije razumevanje vam omogućava da izvršite proračune neophodne za razvoj novih tehnoloških proizvodnih linija i opreme za njih, rešavajući probleme u postojećim tehnološkim šemama.
Kemijska termodinamika se obično naziva jednom od grana fizičke hemije koja proučava hemijske makrosisteme i srodne procese zasnovane na opštim zakonima o transformaciji toplote, rada i energije jedno u drugo.
Zasnovan je na tri postulata, koji se često nazivaju principima termodinamike. Oni nemajumatematičke osnove, ali se zasnivaju na generalizaciji eksperimentalnih podataka koje je prikupilo čovječanstvo. Brojne posljedice proizlaze iz ovih zakona, koji čine osnovu opisa okolnog svijeta.
Zadaci
Glavni zadaci hemijske termodinamike uključuju:
- temeljna studija, kao i objašnjenje najvažnijih obrazaca koji određuju pravac hemijskih procesa, njihovu brzinu, uslove koji na njih utiču (okolina, nečistoće, zračenje, itd.);
- proračun energetskog efekta bilo kojeg hemijskog ili fizičko-hemijskog procesa;
- detekcija uslova za maksimalni prinos produkta reakcije;
- određivanje kriterijuma za stanje ravnoteže različitih termodinamičkih sistema;
- uspostavljanje neophodnih kriterijuma za spontani tok određenog fizičkog i hemijskog procesa.
Objekat i objekat
Ovaj dio nauke nema za cilj da objasni prirodu ili mehanizam bilo kojeg hemijskog fenomena. Nju zanima samo energetska strana tekućih procesa. Stoga se predmet hemijske termodinamike može nazvati energija i zakoni pretvorbe energije u toku hemijskih reakcija, rastvaranja supstanci tokom isparavanja i kristalizacije.
Ova nauka omogućava da se proceni da li je ova ili ona reakcija sposobna da se odvija pod određenim uslovima upravo sa energetske strane problema.
Objekti njegovog proučavanja nazivaju se toplotni bilansi fizičkih i hemijskih procesa, fazatranzicije i hemijske ravnoteže. I to samo u makroskopskim sistemima, odnosno onima koji se sastoje od ogromnog broja čestica.
Metode
Termodinamički dio fizičke hemije koristi teorijske (proračunske) i praktične (eksperimentalne) metode za rješavanje svojih glavnih problema. Prva grupa metoda vam omogućava da kvantitativno povežete različita svojstva i izračunate neke od njih na osnovu eksperimentalnih vrijednosti drugih, koristeći principe termodinamike. Zakoni kvantne mehanike pomažu da se uspostave načini opisivanja i karakteristike kretanja čestica, da se povežu veličine koje ih karakterišu sa fizičkim parametrima određenim tokom eksperimenata.
Metode istraživanja hemijske termodinamike podijeljene su u dvije grupe:
- Termodinamički. Oni ne uzimaju u obzir prirodu specifičnih supstanci i ne zasnivaju se ni na kakvim modelskim idejama o atomskoj i molekularnoj strukturi supstanci. Takve metode se obično nazivaju fenomenološkim, odnosno uspostavljanjem odnosa između posmatranih veličina.
- Statistički. Zasnovani su na strukturi materije i kvantnim efektima, omogućavaju opisivanje ponašanja sistema na osnovu analize procesa koji se odvijaju na nivou 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 da se shvati suština i mehanizam fenomena, budući da je zasnovan na idejama o atomima i molekulima | Zahtijeva temeljnu pripremu i veliku količinu znanja |
Osnovni koncepti hemijske termodinamike
Sistem je svaki materijalni makroskopski predmet proučavanja, izolovan od spoljašnjeg okruženja, a granica može biti i stvarna i imaginarna.
Vrste sistema:
- zatvoren (zatvoren) - karakterizira konstantnost ukupne mase, nema razmjene materije sa okolinom, ali je moguća razmjena energije;
- otvoreno - razmjenjuje energiju i materiju sa okolinom;
- izolovano - ne razmjenjuje energiju (toplotu, rad) ili materiju sa vanjskim okruženjem, dok ima konstantan volumen;
- adijabatski izolovan - nema samo izmjenu toplote sa okolinom, već se može povezati s radom.
Koncepti termičkih, mehaničkih i difuzijskih kontakata koriste se za označavanje metode razmjene energije i materije.
Parametri stanja sistema su bilo koje mjerljive makrokarakteristike stanja sistema. Mogu biti:
- intenzivan - nezavisno od mase (temperature, pritiska);
- ekstenzivno (kapacitivno) - proporcionalno masi supstance (volumen,toplotni kapacitet, masa).
Svi ovi parametri su posuđeni hemijskom termodinamikom iz fizike i hemije, ali dobijaju nešto drugačiji sadržaj, jer se smatraju u zavisnosti od temperature. Zahvaljujući ovoj vrijednosti različita svojstva su međusobno povezana.
Ravnoteža je stanje sistema u kojem se nalazi pod stalnim spoljnim uslovima i karakteriše ga privremena konstantnost termodinamičkih parametara, kao i odsustvo materijalnih i toplotnih tokova u njemu. Za ovo stanje, konstantnost pritiska, temperature i hemijskog potencijala se posmatra u celoj zapremini sistema.
Ravnotežni i neravnotežni procesi
Termodinamički proces zauzima posebno mjesto u sistemu osnovnih pojmova hemijske termodinamike. Definira se kao promjene u stanju sistema, koje karakteriziraju promjene u jednom ili više termodinamičkih parametara.
Promjene stanja sistema su moguće pod različitim uvjetima. U tom smislu, pravi se razlika između ravnotežnih i neravnotežnih procesa. Ravnotežni (ili kvazistatički) proces se smatra nizom ravnotežnih stanja sistema. U ovom slučaju, svi njegovi parametri se mijenjaju beskonačno sporo. Da bi se takav proces odvijao, moraju biti ispunjeni brojni uslovi:
- Beskonačno mala razlika u vrijednostima djelujućih i suprotstavljenih sila (unutrašnji i vanjski pritisak, itd.).
- Beskonačno spora brzina procesa.
- Maksimalni rad.
- Beskonačno mala promjena vanjske sile mijenja smjer tokaobrnuti proces.
- Vrijednosti rada direktnog i obrnutog procesa su jednake, a putevi su im isti.
Proces promjene neravnotežnog stanja sistema u ravnotežno naziva se relaksacija, a njegovo trajanje se naziva vrijeme relaksacije. U hemijskoj termodinamici često se uzima najveća vrijednost vremena relaksacije za bilo koji proces. To je zbog činjenice da stvarni sistemi lako napuštaju stanje ravnoteže sa nastalim tokovima energije i/ili materije u sistemu i nisu u ravnoteži.
Reverzibilni i nepovratni procesi
Reverzibilni termodinamički proces je tranzicija sistema iz jednog od njegovih stanja u drugo. Može teći ne samo u smjeru naprijed, već iu suprotnom smjeru, štaviše, kroz ista međustanja, dok neće biti promjena u okruženju.
Nepovratan je proces za koji je nemoguć prelazak sistema iz jednog stanja u drugo, nije praćen promjenama u okruženju.
Nepovratni procesi su:
- prijenos topline pri konačnoj temperaturnoj razlici;
- širenje gasa u vakuumu, pošto se pri tome ne obavlja nikakav rad i nemoguće je komprimirati gas bez toga;
- difuzija, pošto će se gasovi nakon uklanjanja lako međusobno difundirati, a obrnuti proces je nemoguć bez obavljanja posla.
Druge vrste termodinamičkih procesa
Kružni proces (ciklus) je takav proces, tokomkoji je sistem karakterizirao promjenom njegovih svojstava, a na kraju se vratio na svoje prvobitne vrijednosti.
U zavisnosti od vrednosti temperature, zapremine i pritiska koji karakterišu proces, u hemijskoj termodinamici razlikuju se sledeće vrste procesa:
- Izotermno (T=const).
- Izobarični (P=konst).
- Izohorni (V=konst).
- Adijabatski (Q=konst).
Zakoni hemijske termodinamike
Prije razmatranja glavnih postulata, potrebno je zapamtiti suštinu veličina koje karakterišu stanje različitih sistema.
Unutarnja energija U sistema se shvata kao zaliha njegove energije, koja se sastoji od energija kretanja i interakcije čestica, odnosno svih vrsta energije osim kinetičke energije i njene potencijalne energije položaja. Odredite njegovu promjenu ∆U.
Entalpija H se često naziva energija proširenog sistema, kao i njegov sadržaj toplote. H=U+pV.
Heat Q je neuređeni oblik prijenosa energije. Unutrašnja toplota sistema se smatra pozitivnom (Q > 0) ako se toplota apsorbuje (endotermni proces). Negativan je (Q < 0) ako se toplota oslobađa (egzotermni proces).
Rad A je naručeni oblik prijenosa energije. Smatra se pozitivnim (A>0) ako ga sistem izvodi protiv vanjskih sila, a negativnim (A<0) ako ga izvode vanjske sile na sistemu.
Osnovni postulat je prvi zakon termodinamike. Ima ih mnogonjegove formulacije, među kojima se mogu razlikovati sljedeće: "Prelaz energije iz jedne vrste u drugu se dešava u strogo ekvivalentnim količinama."
Ako sistem napravi prijelaz iz stanja 1 u stanje 2, praćen apsorpcijom topline Q, koja se, pak, troši na promjenu unutrašnje energije ∆U i obavljanje rada A, onda 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, njegova pouzdanost je potvrđena posljedicama koje odgovaraju eksperimentalnim zapažanjima. U fizičkoj hemiji je češća sljedeća formulacija: "Za svaki izolovani sistem koji nije u stanju ravnoteže, entropija raste s vremenom, a njen rast se nastavlja sve dok sistem ne uđe u stanje ravnoteže."
Matematički, ovaj postulat hemijske termodinamike ima oblik: dSisol≧0. Znak nejednakosti u ovom slučaju označava neravnotežno stanje, a znak "=" označava ravnotežu.
