Một số nguyên tố cơ bản của nhiệt động lực học hóa học bắt đầu được xem xét ở trường trung học. Trong các bài học hóa học, học sinh lần đầu tiên bắt gặp các khái niệm như quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch, cân bằng hóa học, hiệu ứng nhiệt và nhiều khái niệm khác. Từ khóa học vật lý ở trường, các em học về nội năng, công, thế năng và thậm chí làm quen với định luật đầu tiên của nhiệt động lực học.
Định nghĩa nhiệt động lực học
Sinh viên các trường đại học, cao đẳng chuyên ngành kỹ thuật hóa học nghiên cứu chi tiết nhiệt động lực học trong khuôn khổ hóa lý và / hoặc hóa keo. Đây là một trong những môn học cơ bản, sự hiểu biết về nó cho phép bạn thực hiện các tính toán cần thiết cho việc phát triển các dây chuyền và thiết bị sản xuất công nghệ mới cho chúng, giải quyết các vấn đề trong các sơ đồ công nghệ hiện có.
Nhiệt động hóa học thường được gọi là một trong những nhánh của hóa lý học nghiên cứu các hệ vĩ mô hóa học và các quá trình liên quan dựa trên các quy luật chung về sự chuyển hóa nhiệt, công và năng lượng thành nhau.
Nó dựa trên ba định đề, thường được gọi là các nguyên lý của nhiệt động lực học. Họ không cócơ sở toán học, nhưng dựa trên sự tổng hợp của các dữ liệu thực nghiệm đã được nhân loại tích lũy. Nhiều hệ quả bắt nguồn từ những định luật này, tạo nên cơ sở cho việc mô tả thế giới xung quanh.
Nhiệm vụ
Nhiệm vụ chính của nhiệt động hóa học bao gồm:
- nghiên cứu kỹ lưỡng, cũng như giải thích về các mô hình quan trọng nhất xác định hướng của các quá trình hóa học, tốc độ của chúng, các điều kiện ảnh hưởng đến chúng (môi trường, tạp chất, bức xạ, v.v.);
- tính toán hiệu ứng năng lượng của bất kỳ quá trình hóa học hoặc lý hóa nào;
- phát hiện điều kiện để sản phẩm phản ứng thu được tối đa;
- xác định tiêu chí cho trạng thái cân bằng của các hệ thống nhiệt động lực học khác nhau;
- thiết lập các tiêu chí cần thiết cho dòng chảy tự phát của một quá trình vật lý và hóa học cụ thể.
Đối tượng và đối tượng
Phần khoa học này không nhằm giải thích bản chất hay cơ chế của bất kỳ hiện tượng hóa học nào. Cô ấy chỉ quan tâm đến khía cạnh năng lượng của các quá trình đang diễn ra. Vì vậy, chủ đề của nhiệt động lực học hóa học có thể được gọi là năng lượng và các quy luật chuyển hóa năng lượng trong quá trình phản ứng hóa học, sự hòa tan của các chất trong quá trình bay hơi và kết tinh.
Khoa học này giúp chúng ta có thể đánh giá liệu phản ứng này hay phản ứng đó có khả năng tiến hành trong những điều kiện nhất định một cách chính xác từ khía cạnh năng lượng của vấn đề hay không.
Đối tượng nghiên cứu của nó được gọi là cân bằng nhiệt của các quá trình vật lý và hóa học, giai đoạnchuyển tiếp và cân bằng hóa học. Và chỉ trong các hệ thống vĩ mô, tức là những hệ thống bao gồm một số lượng lớn các hạt.
Phương pháp
Phần nhiệt động của hóa lý sử dụng các phương pháp lý thuyết (tính toán) và thực hành (thí nghiệm) để giải quyết các vấn đề chính của nó. Nhóm phương pháp đầu tiên cho phép bạn liên hệ một cách định lượng các thuộc tính khác nhau và tính toán một số trong số chúng dựa trên các giá trị thực nghiệm của các phương pháp khác, sử dụng các nguyên tắc của nhiệt động lực học. Các định luật của cơ học lượng tử giúp thiết lập các cách mô tả và đặc điểm chuyển động của các hạt, để kết nối các đại lượng đặc trưng cho chúng với các thông số vật lý được xác định trong quá trình thí nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu nhiệt động hóa học được chia thành hai nhóm:
- Nhiệt động. Chúng không tính đến bản chất của các chất cụ thể và không dựa trên bất kỳ ý tưởng mô hình nào về cấu trúc nguyên tử và phân tử của các chất. Các phương pháp như vậy thường được gọi là hiện tượng học, nghĩa là thiết lập mối quan hệ giữa các đại lượng quan sát được.
- Thống kê. Chúng dựa trên cấu trúc của vật chất và các hiệu ứng lượng tử, cho phép mô tả hành vi của các hệ thống dựa trên phân tích các quá trình xảy ra ở cấp độ nguyên tử và các hạt cấu thành của chúng.
Cả hai cách tiếp cận này đều có ưu điểm và nhược điểm.
| Phương | Nhân phẩm | Flaws |
| Nhiệt động | Do lớntính tổng quát khá đơn giản và không yêu cầu thông tin bổ sung, đồng thời giải quyết các vấn đề cụ thể | Không tiết lộ cơ chế quy trình |
| Thống kê | Giúp hiểu bản chất và cơ chế của hiện tượng, vì nó dựa trên những ý tưởng về các nguyên tử và phân tử | Đòi hỏi sự chuẩn bị kỹ lưỡng và lượng kiến thức lớn |
Các khái niệm cơ bản về nhiệt động hóa học
Một hệ thống là bất kỳ đối tượng nghiên cứu vĩ mô vật chất nào, cách biệt với môi trường bên ngoài và ranh giới có thể là thực và ảo.
Các loại hệ thống:
- đóng (đóng) - được đặc trưng bởi sự không đổi của tổng khối lượng, không có sự trao đổi vật chất với môi trường, tuy nhiên, có thể trao đổi năng lượng;
- mở - trao đổi cả năng lượng và vật chất với môi trường;
- cô lập - không trao đổi năng lượng (nhiệt, công) hoặc vật chất với môi trường bên ngoài, trong khi nó có thể tích không đổi;
- cách ly đoạn nhiệt - không chỉ trao đổi nhiệt với môi trường mà còn có thể kết hợp với công việc.
Các khái niệm về tiếp điểm nhiệt, cơ học và khuếch tán được sử dụng để chỉ phương pháp trao đổi năng lượng và vật chất.
Thông số trạng thái hệ thống là bất kỳ đặc điểm vĩ mô nào có thể đo lường được của trạng thái hệ thống. Chúng có thể là:
- cường độ - không phụ thuộc vào khối lượng (nhiệt độ, áp suất);
- rộng (điện dung) - tỷ lệ với khối lượng của chất (thể tích,nhiệt dung, khối lượng).
Tất cả các thông số này đều được nhiệt động lực học hóa học mượn từ vật lý và hóa học, nhưng có nội dung hơi khác, vì chúng được xem xét tùy thuộc vào nhiệt độ. Chính nhờ giá trị này mà các thuộc tính khác nhau được kết nối với nhau.
Cân bằng là trạng thái của một hệ trong đó nó ở trong các điều kiện bên ngoài không đổi và được đặc trưng bởi sự không đổi tạm thời của các thông số nhiệt động lực học, cũng như không có vật liệu và dòng nhiệt trong đó. Đối với trạng thái này, áp suất, nhiệt độ và điện thế hóa học không đổi được quan sát thấy trong toàn bộ thể tích của hệ thống.
Quá trình cân bằng và không cân bằng
Quá trình nhiệt động học chiếm một vị trí đặc biệt trong hệ thống các khái niệm cơ bản của nhiệt động hoá học. Nó được định nghĩa là những thay đổi trong trạng thái của hệ thống, được đặc trưng bởi những thay đổi trong một hoặc nhiều thông số nhiệt động lực học.
Có thể thay đổi trạng thái của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Về vấn đề này, có sự phân biệt giữa các quá trình cân bằng và không cân bằng. Quá trình cân bằng (hay gần như tĩnh) được coi là một chuỗi các trạng thái cân bằng của hệ. Trong trường hợp này, tất cả các tham số của nó thay đổi vô cùng chậm. Để quá trình như vậy diễn ra, một số điều kiện phải được đáp ứng:
- Sự khác biệt nhỏ vô hạn về giá trị của lực tác động và lực đối lập (áp suất bên trong và bên ngoài, v.v.).
- Tốc độ chậm vô hạn của quá trình.
- Công việc tối đa.
- Một sự thay đổi nhỏ trong ngoại lực làm thay đổi hướng của dòng chảyquy trình ngược lại.
- Các giá trị của công việc của các quá trình trực tiếp và đảo ngược là bằng nhau và các đường dẫn của chúng giống nhau.
Quá trình chuyển trạng thái không cân bằng của hệ sang trạng thái cân bằng được gọi là thư giãn, và thời gian của nó được gọi là thời gian thư giãn. Trong nhiệt động lực học hóa học, giá trị lớn nhất của thời gian thư giãn đối với bất kỳ quá trình nào thường được lấy. Điều này là do các hệ thống thực dễ dàng rời khỏi trạng thái cân bằng với các dòng năng lượng và / hoặc vật chất trong hệ thống và không cân bằng.
Quy trình có thể đảo ngược và không thể đảo ngược
Quá trình nhiệt động thuận nghịch là quá trình chuyển đổi của một hệ từ trạng thái này sang trạng thái khác. Nó có thể chảy không chỉ theo hướng thuận, mà còn theo hướng ngược lại, hơn nữa, qua các trạng thái trung gian giống nhau, trong khi không có thay đổi trong môi trường.
Không thể đảo ngược là một quá trình mà sự chuyển đổi của hệ thống từ trạng thái này sang trạng thái khác là không thể xảy ra, không kèm theo những thay đổi trong môi trường.
Quy trình không thể đảo ngược là:
- truyền nhiệt ở chênh lệch nhiệt độ hữu hạn;
- sự giãn nở của chất khí trong chân không, vì không có công việc nào được thực hiện trong đó và không thể nén khí mà không làm việc đó;
- khuếch tán, vì sau khi loại bỏ các khí sẽ dễ dàng khuếch tán lẫn nhau, và quá trình ngược lại là không thể nếu không làm việc.
Các loại quá trình nhiệt động khác
Quy trình vòng tròn (chu trình) là một quy trình như vậy, trongmà hệ thống được đặc trưng bởi sự thay đổi trong các thuộc tính của nó và khi kết thúc quá trình này, hệ thống sẽ trở về các giá trị ban đầu.
Tùy thuộc vào các giá trị nhiệt độ, thể tích và áp suất đặc trưng cho quá trình, các loại quá trình sau được phân biệt trong nhiệt động lực học hóa học:
- Đẳng nhiệt (T=const).
- Isobaric (P=const).
- Isochoric (V=const).
- Adiabatic (Q=const).
Các định luật nhiệt động hóa học
Trước khi xem xét các định đề chính, cần nhớ bản chất của các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của các hệ thống khác nhau.
Nội năng U của một hệ được hiểu là dự trữ năng lượng của nó, bao gồm năng lượng chuyển động và tương tác của các hạt, tức là tất cả các dạng năng lượng ngoại trừ động năng và thế năng của vị trí.. Xác định sự thay đổi của nó ∆U.
Entanpi H thường được gọi là năng lượng của hệ giãn nở, cũng như nhiệt dung của nó. H=U + pV.
Nhiệt Q là một dạng truyền năng lượng có trật tự. Nhiệt lượng bên trong của hệ được coi là dương (Q > 0) nếu nhiệt bị hấp thụ (quá trình thu nhiệt). Nó là âm (Q < 0) nếu nhiệt được tỏa ra (quá trình tỏa nhiệt).
Công việc A là một hình thức truyền năng lượng có trật tự. Nó được coi là tích cực (A>0) nếu nó được thực hiện bởi hệ thống chống lại các lực bên ngoài và âm (A<0) nếu nó được thực hiện bởi các lực bên ngoài lên hệ thống.
Định đề cơ bản là định luật đầu tiên của nhiệt động lực học. Có nhiềucác công thức của ông, trong đó có thể phân biệt được các công thức sau: "Sự chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác xảy ra với số lượng tương đương nhau."
Nếu hệ chuyển đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, kèm theo sự hấp thụ nhiệt Q, nhiệt lượng này được sử dụng để thay đổi nội năng ∆U và thực hiện công A, thì về mặt toán học, định đề này là được viết bởi các phương trình: Q=∆U + A hoặc δQ=dU + δA.
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học, giống như định luật thứ nhất, không được suy ra về mặt lý thuyết, nhưng có trạng thái của một định đề. Tuy nhiên, độ tin cậy của nó được xác nhận bởi các hệ quả của nó tương ứng với các quan sát thực nghiệm. Trong hóa học vật lý, công thức sau đây phổ biến hơn: "Đối với bất kỳ hệ cô lập nào không ở trạng thái cân bằng, entropi tăng theo thời gian và sự phát triển của nó tiếp tục cho đến khi hệ chuyển sang trạng thái cân bằng."
Về mặt toán học, định đề nhiệt động hóa học này có dạng: dScô lập≧ 0. Dấu bất bình đẳng trong trường hợp này cho biết trạng thái không cân bằng và dấu "=" cho biết trạng thái cân bằng.
