Kimyəvi termodinamikanın əsaslarının bəzi elementləri orta məktəbdə nəzərdən keçirilməyə başlayır. Kimya dərslərində tələbələr ilk dəfə olaraq geri dönən və dönməz proseslər, kimyəvi tarazlıq, istilik effekti və bir çox başqa anlayışlarla qarşılaşırlar. Məktəb fizikası kursundan onlar daxili enerji, iş, potensiallar haqqında öyrənirlər, hətta termodinamikanın birinci qanunu ilə tanış olurlar.
Termodinamikanın tərifi
Kimya mühəndisliyi ixtisasları üzrə ali məktəblərin və kolleclərin tələbələri termodinamikanı fiziki və/və ya kolloid kimya çərçivəsində ətraflı öyrənirlər. Bu fundamental fənlərdən biridir, onun başa düşülməsi yeni texnoloji istehsal xətlərinin və onlar üçün avadanlıqların işlənib hazırlanması, mövcud texnoloji sxemlərdə problemlərin həlli üçün zəruri hesablamaları aparmağa imkan verir.
Kimyəvi termodinamika adətən istilik, iş və enerjinin bir-birinə çevrilməsi ilə bağlı ümumi qanunlara əsaslanaraq kimyəvi makrosistemləri və əlaqəli prosesləri öyrənən fiziki kimyanın sahələrindən biri adlanır.
O, çox vaxt termodinamika prinsipləri adlanan üç postulata əsaslanır. Onlarda yoxdurriyazi əsasdır, lakin bəşəriyyət tərəfindən toplanmış eksperimental məlumatların ümumiləşdirilməsinə əsaslanır. Ətraf aləmin təsvirinin əsasını təşkil edən bu qanunlardan çoxsaylı nəticələr əldə edilir.
Tapşırıqlar
Kimyəvi termodinamikanın əsas vəzifələrinə aşağıdakılar daxildir:
- hərtərəfli tədqiqat, həmçinin kimyəvi proseslərin istiqamətini, sürətini, onlara təsir edən şərtləri (ətraf mühit, çirklər, radiasiya və s.) müəyyən edən ən mühüm qanunauyğunluqların izahı;
- hər hansı kimyəvi və ya fiziki-kimyəvi prosesin enerji effektinin hesablanması;
- reaksiya məhsullarının maksimum məhsuldarlığı üçün şərtlərin aşkarlanması;
- müxtəlif termodinamik sistemlərin tarazlıq vəziyyəti üçün kriteriyaların təyini;
- müəyyən fiziki və kimyəvi prosesin spontan axını üçün lazımi meyarların müəyyən edilməsi.
Obyekt və obyekt
Elmin bu bölməsi hər hansı kimyəvi hadisənin təbiətini və ya mexanizmini izah etmək məqsədi daşımır. Onu ancaq gedən proseslərin enerji tərəfi maraqlandırır. Buna görə də kimyəvi termodinamikanın mövzusunu enerji və kimyəvi reaksiyaların gedişində enerjiyə çevrilmə qanunları, buxarlanma və kristallaşma zamanı maddələrin həlli adlandırmaq olar.
Bu elm bu və ya digər reaksiyanın müəyyən şərtlər altında davam edə bilib-bilməyəcəyini məsələnin enerji tərəfindən mühakimə etməyə imkan verir.
Onun tədqiqat obyektləri fiziki və kimyəvi proseslərin, fazanın istilik balansları adlanırkeçidlər və kimyəvi tarazlıqlar. Və yalnız makroskopik sistemlərdə, yəni çoxlu sayda hissəcikdən ibarət olan sistemlərdə.
Metodlar
Fiziki kimyanın termodinamik bölməsi əsas məsələlərin həlli üçün nəzəri (hesablama) və praktiki (təcrübi) üsullardan istifadə edir. Birinci qrup üsullar, termodinamika prinsiplərindən istifadə edərək, müxtəlif xassələri kəmiyyətcə əlaqələndirməyə və onlardan bəzilərini başqalarının eksperimental dəyərlərinə əsaslanaraq hesablamağa imkan verir. Kvant mexanikasının qanunları hissəciklərin hərəkətinin təsvir üsullarını və xüsusiyyətlərini müəyyən etməyə, onları xarakterizə edən kəmiyyətləri təcrübələr zamanı müəyyən edilmiş fiziki parametrlərlə əlaqələndirməyə kömək edir.
Kimyəvi termodinamikanın tədqiqat üsulları iki qrupa bölünür:
- Termodinamik. Onlar spesifik maddələrin təbiətini nəzərə almır və maddələrin atom və molekulyar quruluşu haqqında heç bir model fikirlərə əsaslanmır. Belə üsullar adətən fenomenoloji adlanır, yəni müşahidə olunan kəmiyyətlər arasında əlaqə yaradır.
- Statistik. Onlar maddənin quruluşuna və kvant effektlərinə əsaslanır, atomlar və onların tərkib hissəcikləri səviyyəsində baş verən proseslərin təhlili əsasında sistemlərin davranışını təsvir etməyə imkan verir.
Bu yanaşmaların hər ikisinin öz üstünlükləri və mənfi cəhətləri var.
| Metod | Ləyaqət | Qüsurlar |
| Termodinamik | Böyük olduğuna görəümumilik olduqca sadədir və xüsusi problemləri həll edərkən əlavə məlumat tələb etmir | Proses mexanizmini açıqlamır |
| Statistik | Atomlar və molekullar haqqında fikirlərə əsaslandığı üçün fenomenin mahiyyətini və mexanizmini anlamağa kömək edir | Hərtərəfli hazırlıq və böyük miqdarda bilik tələb edir |
Kimyəvi termodinamikanın əsas anlayışları
Sistem xarici mühitdən təcrid olunmuş hər hansı maddi makroskopik tədqiqat obyektidir və sərhəd həm real, həm də xəyali ola bilər.
Sistem növləri:
- qapalı (qapalı) - ümumi kütlənin sabitliyi ilə xarakterizə olunur, ətraf mühitlə maddə mübadiləsi yoxdur, lakin enerji mübadiləsi mümkündür;
- açıq - ətraf mühitlə həm enerji, həm də maddə mübadiləsi edir;
- təcrid - sabit həcmdə olduğu halda xarici mühitlə enerji (istilik, iş) və ya maddə mübadiləsi etmir;
- adiabatik izolyasiya - yalnız ətraf mühitlə istilik mübadiləsinə malik deyil, həm də işlə əlaqələndirilə bilər.
Enerji və maddə mübadiləsi metodunu göstərmək üçün istilik, mexaniki və diffuziya kontaktları anlayışlarından istifadə edilir.
Sistem vəziyyəti parametrləri sistem vəziyyətinin istənilən ölçülə bilən makroxarakteristikasıdır. Onlar ola bilər:
- intensiv - kütlədən asılı olmayaraq (temperatur, təzyiq);
- geniş (tutumlu) - maddənin kütləsinə mütənasibdir (həcmi,istilik tutumu, kütlə).
Bütün bu parametrlər fizika və kimyadan kimyəvi termodinamikadan götürülüb, lakin temperaturdan asılı olaraq nəzərə alındığından bir qədər fərqli məzmun alır. Məhz bu dəyər sayəsində müxtəlif xüsusiyyətlər bir-birinə bağlıdır.
Tarazlıq, sistemin daimi xarici şəraitdə olduğu və termodinamik parametrlərin müvəqqəti sabitliyi, həmçinin orada material və istilik axınının olmaması ilə xarakterizə olunan bir vəziyyətdir. Bu vəziyyət üçün sistemin bütün həcmində təzyiq, temperatur və kimyəvi potensialın sabitliyi müşahidə olunur.
Tarazlıq və qeyri-tarazlıq prosesləri
Kimyəvi termodinamikanın əsas anlayışları sistemində termodinamik proses xüsusi yer tutur. Bu, bir və ya daha çox termodinamik parametrlərdə dəyişikliklərlə xarakterizə olunan sistemin vəziyyətindəki dəyişikliklər kimi müəyyən edilir.
Sistem vəziyyətində dəyişikliklər müxtəlif şərtlərdə mümkündür. Bu baxımdan tarazlıq və qeyri-tarazlıq prosesləri arasında fərq qoyulur. Tarazlıq (və ya kvazi-statik) proses bir sistemin tarazlıq halları silsiləsi kimi qəbul edilir. Bu halda, onun bütün parametrləri sonsuz yavaş dəyişir. Belə bir prosesin baş verməsi üçün bir sıra şərtlər yerinə yetirilməlidir:
- Təsir edən və əks qüvvələrin dəyərlərində sonsuz kiçik fərq (daxili və xarici təzyiq və s.).
- Prosesin sonsuz yavaş sürəti.
- Maksimum iş.
- Xarici qüvvədə sonsuz kiçik dəyişiklik axının istiqamətini dəyişirtərs proses.
- Birbaşa və əks proseslərin işinin dəyərləri bərabərdir və onların yolları eynidir.
Sistemin qeyri-tarazlıq vəziyyətini tarazlığa dəyişmə prosesinə relaksasiya, müddəti isə relaksasiya vaxtı adlanır. Kimyəvi termodinamikada hər hansı bir proses üçün relaksasiya vaxtının ən böyük dəyəri çox vaxt alınır. Bunun səbəbi, real sistemlərin sistemdə yaranan enerji və/yaxud maddə axınları ilə asanlıqla tarazlıq vəziyyətini tərk etməsi və qeyri-tarazlıq olmasıdır.
Qaytarıla bilən və geri dönməz proseslər
Ters çevrilə bilən termodinamik proses sistemin bir vəziyyətindən digərinə keçididir. O, təkcə irəli deyil, həm də əks istiqamətdə, üstəlik, eyni aralıq vəziyyətlərdən keçə bilər, halbuki mühitdə heç bir dəyişiklik olmayacaq.
Dönməz, sistemin bir vəziyyətdən digər vəziyyətə keçidinin qeyri-mümkün olduğu, ətraf mühitdəki dəyişikliklərlə müşayiət olunmayan prosesdir.
Geri dönməz proseslər bunlardır:
- sonlu temperatur fərqində istilik ötürülməsi;
- vakuumda qazın genişlənməsi, çünki bu müddət ərzində heç bir iş görülmür və bunu etmədən qazı sıxmaq mümkün deyil;
- diffuziya, çünki çıxarıldıqdan sonra qazlar asanlıqla bir-birinə yayılacaq və iş görmədən tərs proses mümkün deyil.
Termodinamik proseslərin digər növləri
Dairəvi proses (dövr) belə bir prosesdir, əsnasındasistem xassələrindəki dəyişikliklə səciyyələnirdi və sonunda ilkin dəyərlərinə qayıtdı.
Prosesi xarakterizə edən temperatur, həcm və təzyiq dəyərlərindən asılı olaraq kimyəvi termodinamikada aşağıdakı proses növləri fərqləndirilir:
- İzotermik (T=sabit).
- İzobarik (P=sabit).
- İzokorik (V=sabit).
- Adiabatik (Q=sabit).
Kimyəvi termodinamika qanunları
Əsas postulatları nəzərdən keçirməzdən əvvəl müxtəlif sistemlərin vəziyyətini xarakterizə edən kəmiyyətlərin mahiyyətini xatırlamaq lazımdır.
Sistemin daxili enerjisi U dedikdə onun zərrəciklərin hərəkət və qarşılıqlı təsir enerjilərindən, yəni kinetik enerji və onun potensial mövqe enerjisindən başqa bütün növ enerjilərdən ibarət enerji ehtiyatı başa düşülür.. Onun dəyişməsini təyin edin ∆U.
Entalpiya H çox vaxt genişlənmiş sistemin enerjisi, eləcə də onun istilik tərkibi adlanır. H=U+pV.
Heat Q enerji ötürülməsinin nizamsız formasıdır. Əgər istilik udulursa (endotermik proses) sistemin daxili istiliyi müsbət hesab olunur (Q > 0). İstilik buraxılarsa (ekzotermik proses) mənfi olur (Q < 0).
İş A enerji transferinin sifarişli formasıdır. Sistem tərəfindən xarici qüvvələrə qarşı həyata keçirilirsə müsbət (A>0), sistemdə xarici qüvvələr tərəfindən həyata keçirilirsə mənfi (A<0) hesab edilir.
Əsas postulat termodinamikanın birinci qanunudur. Çox varonun formulaları, bunlar arasında aşağıdakıları ayırd etmək olar: "Enerjinin bir növdən digərinə keçidi ciddi şəkildə ekvivalent miqdarda baş verir."
Əgər sistem 1-ci vəziyyətdən 2-ci vəziyyətə keçid edirsə, Q istiliyinin udulması ilə müşayiət olunur və bu da öz növbəsində daxili enerjinin ∆U-nun dəyişdirilməsinə və A işinin yerinə yetirilməsinə sərf olunursa, onda riyazi olaraq bu postulat olur. tənliklərlə yazılmışdır: Q=∆U +A və ya δQ=dU + δA.
Termodinamikanın ikinci qanunu, birinci qanun kimi, nəzəri cəhətdən alınmamışdır, lakin postulat statusuna malikdir. Bununla belə, onun etibarlılığı eksperimental müşahidələrə uyğun gələn nəticələrlə təsdiqlənir. Fiziki kimyada aşağıdakı formula daha çox yayılmışdır: "Tarazlıq vəziyyətində olmayan hər hansı təcrid olunmuş sistem üçün entropiya zamanla artır və onun böyüməsi sistem tarazlıq vəziyyətinə keçənə qədər davam edir."
Riyazi olaraq kimyəvi termodinamikanın bu postulatı belə formaya malikdir: dSisol≧0. Bu halda bərabərsizlik işarəsi qeyri-tarazlıq vəziyyətini, "=" işarəsi isə tarazlığı bildirir.
