Alcuni elementi dei fondamenti della termodinamica chimica iniziano a essere presi in considerazione al liceo. Nelle lezioni di chimica, gli studenti si imbattono per la prima volta in concetti come processi reversibili e irreversibili, equilibrio chimico, effetto termico e molti altri. Dal corso di fisica della scuola, imparano l'energia interna, il lavoro, i potenziali e persino la prima legge della termodinamica.
Definizione di termodinamica
Gli studenti delle università e dei college di specialità di ingegneria chimica studiano la termodinamica in dettaglio nell'ambito della chimica fisica e/o colloidale. Questo è uno degli argomenti fondamentali, la cui comprensione consente di eseguire i calcoli necessari per lo sviluppo di nuove linee di produzione tecnologiche e attrezzature per loro, risolvendo problemi negli schemi tecnologici esistenti.
La termodinamica chimica è solitamente chiamata una delle branche della chimica fisica che studia i macrosistemi chimici e i processi correlati basati sulle leggi generali sulla trasformazione reciproca di calore, lavoro ed energia.
Si basa su tre postulati, che sono spesso chiamati i principi della termodinamica. Non hannobase matematica, ma si basano sulla generalizzazione dei dati sperimentali accumulati dall'uomo. Numerose conseguenze derivano da queste leggi, che costituiscono la base della descrizione del mondo circostante.
Compiti
I compiti principali della termodinamica chimica includono:
- uno studio approfondito, nonché una spiegazione degli schemi più importanti che determinano la direzione dei processi chimici, la loro velocità, le condizioni che li influenzano (ambiente, impurità, radiazioni, ecc.);
- calcolo dell'effetto energetico di qualsiasi processo chimico o fisico-chimico;
- rilevamento delle condizioni per la massima resa dei prodotti di reazione;
- determinazione dei criteri per lo stato di equilibrio di vari sistemi termodinamici;
- stabilire i criteri necessari per il flusso spontaneo di un particolare processo fisico e chimico.
Oggetto e oggetto
Questa sezione della scienza non mira a spiegare la natura o il meccanismo di alcun fenomeno chimico. È interessata solo al lato energetico dei processi in corso. Pertanto, l'argomento della termodinamica chimica può essere chiamato energia e leggi della conversione dell'energia nel corso delle reazioni chimiche, della dissoluzione delle sostanze durante l'evaporazione e la cristallizzazione.
Questa scienza permette di giudicare se questa o quella reazione è in grado di procedere in determinate condizioni proprio dal lato energetico della questione.
Gli oggetti del suo studio sono chiamati bilanci termici di processi fisici e chimici, fasetransizioni ed equilibri chimici. E solo nei sistemi macroscopici, cioè quelli costituiti da un numero enorme di particelle.
Metodi
La sezione termodinamica della chimica fisica utilizza metodi teorici (di calcolo) e pratici (sperimentali) per risolvere i suoi problemi principali. Il primo gruppo di metodi consente di mettere in relazione quantitativamente diverse proprietà e di calcolarne alcune in base ai valori sperimentali di altre, utilizzando i principi della termodinamica. Le leggi della meccanica quantistica aiutano a stabilire le modalità di descrizione e le caratteristiche del moto delle particelle, a collegare le quantità che le caratterizzano con i parametri fisici determinati nel corso degli esperimenti.
I metodi di ricerca della termodinamica chimica sono divisi in due gruppi:
- Termodinamico. Non tengono conto della natura di sostanze specifiche e non si basano su idee modello sulla struttura atomica e molecolare delle sostanze. Tali metodi sono generalmente chiamati fenomenologici, cioè stabiliscono relazioni tra quantità osservate.
- Statistico. Si basano sulla struttura della materia e sugli effetti quantistici, consentono di descrivere il comportamento di sistemi basati sull'analisi dei processi che avvengono a livello degli atomi e delle loro particelle costituenti.
Entrambi questi approcci hanno i loro vantaggi e svantaggi.
| Metodo | Dignità | Difetti |
| Termodinamica |
A causa del grandela generalità è abbastanza semplice e non richiede informazioni aggiuntive, pur risolvendo problemi specifici |
Non rivela il meccanismo del processo |
| Statistico | Aiuta a comprendere l'essenza e il meccanismo del fenomeno, poiché si basa su idee su atomi e molecole | Richiede una preparazione approfondita e una grande quantità di conoscenze |
Concetti di base della termodinamica chimica
Un sistema è qualsiasi oggetto macroscopico materiale di studio, isolato dall'ambiente esterno, e il confine può essere sia reale che immaginario.
Tipi di sistemi:
- chiuso (chiuso) - caratterizzato dalla costanza della massa totale, non c'è scambio di materia con l'ambiente, tuttavia è possibile lo scambio di energia;
- aperto - scambia energia e materia con l'ambiente;
- isolato - non scambia energia (calore, lavoro) o materia con l'ambiente esterno, mentre ha un volume costante;
- isolato-adiabatico - non ha solo scambio termico con l'ambiente, ma può essere associato al lavoro.
I concetti di contatti termici, meccanici e di diffusione sono usati per indicare il metodo di scambio di energia e materia.
I parametri dello stato del sistema sono qualsiasi macrocaratteristica misurabile dello stato del sistema. Possono essere:
- intenso - indipendente dalla massa (temperatura, pressione);
- esteso (capacitivo) - proporzionale alla massa della sostanza (volume,capacità termica, massa).
Tutti questi parametri sono presi in prestito dalla termodinamica chimica dalla fisica e dalla chimica, ma acquisiscono un contenuto leggermente diverso, poiché sono considerati dipendenti dalla temperatura. È grazie a questo valore che le varie proprietà sono interconnesse.
L'equilibrio è uno stato di un sistema in cui si trova in condizioni esterne costanti ed è caratterizzato da una costanza temporanea dei parametri termodinamici, nonché dall'assenza di flussi di materiale e calore al suo interno. Per questo stato si osserva la costanza di pressione, temperatura e potenziale chimico nell'intero volume del sistema.
Processi di equilibrio e di non equilibrio
Il processo termodinamico occupa un posto speciale nel sistema dei concetti di base della termodinamica chimica. È definito come cambiamenti nello stato del sistema, caratterizzati da cambiamenti in uno o più parametri termodinamici.
Le modifiche allo stato del sistema sono possibili in condizioni diverse. A questo proposito si distingue tra processi di equilibrio e processi di non equilibrio. Un processo di equilibrio (o quasi statico) è considerato come una serie di stati di equilibrio di un sistema. In questo caso, tutti i suoi parametri cambiano infinitamente lentamente. Affinché tale processo abbia luogo, devono essere soddisfatte una serie di condizioni:
- Differenza infinitamente piccola nei valori delle forze agenti e opposte (pressione interna ed esterna, ecc.).
- Velocità infinitamente lenta del processo.
- Lavoro massimo.
- Un cambiamento infinitesimale nella forza esterna cambia la direzione del flussoprocesso inverso.
- I valori del lavoro dei processi diretti e inversi sono uguali e i loro percorsi sono gli stessi.
Il processo di cambiamento dello stato di non equilibrio del sistema in equilibrio è chiamato rilassamento e la sua durata è chiamata tempo di rilassamento. Nella termodinamica chimica, viene spesso preso il valore maggiore del tempo di rilassamento per qualsiasi processo. Ciò è dovuto al fatto che i sistemi reali lasciano facilmente lo stato di equilibrio con i flussi emergenti di energia e/o materia nel sistema e non sono in equilibrio.
Processi reversibili e irreversibili
Il processo termodinamico reversibile è la transizione di un sistema da uno dei suoi stati all' altro. Può fluire non solo nella direzione in avanti, ma anche nella direzione opposta, inoltre, attraverso gli stessi stati intermedi, mentre non ci saranno cambiamenti nell'ambiente.
L'irreversibile è un processo per il quale il passaggio del sistema da uno stato all' altro è impossibile, non accompagnato da cambiamenti nell'ambiente.
I processi irreversibili sono:
- trasferimento di calore a differenza di temperatura finita;
- espansione di un gas nel vuoto, poiché durante esso non viene svolto alcun lavoro ed è impossibile comprimere il gas senza farlo;
- diffusione, poiché dopo la rimozione i gas si diffonderanno facilmente reciprocamente e il processo inverso è impossibile senza lavorare.
Altri tipi di processi termodinamici
Il processo circolare (ciclo) è un tale processo, durantecui il sistema è stato caratterizzato da un cambiamento nelle sue proprietà, e al termine di esso è tornato ai suoi valori originali.
A seconda dei valori di temperatura, volume e pressione che caratterizzano il processo, nella termodinamica chimica si distinguono le seguenti tipologie di processo:
- Isotermico (T=cost).
- Isobarico (P=cost).
- Isochoric (V=cost).
- Adiabatico (Q=cost).
Le leggi della termodinamica chimica
Prima di considerare i postulati principali, è necessario ricordare l'essenza delle quantità che caratterizzano lo stato dei vari sistemi.
L'energia interna U di un sistema è intesa come lo stock della sua energia, che consiste nelle energie del movimento e dell'interazione delle particelle, cioè tutti i tipi di energia tranne l'energia cinetica e la sua energia potenziale di posizione. Determina il suo cambiamento ∆U.
L'entalpia H è spesso chiamata l'energia del sistema espanso, così come il suo contenuto di calore. H=U+pV.
Il calore Q è una forma disordinata di trasferimento di energia. Il calore interno dell'impianto è considerato positivo (Q > 0) se viene assorbito calore (processo endotermico). È negativo (Q < 0) se viene rilasciato calore (processo esotermico).
Il lavoro A è una forma ordinata di trasferimento di energia. È considerato positivo (A>0) se viene eseguito dal sistema contro forze esterne e negativo (A<0) se viene eseguito da forze esterne sul sistema.
Il postulato di base è la prima legge della termodinamica. Ci sono moltisue formulazioni, tra le quali si possono distinguere le seguenti: "Il passaggio di energia da un tipo all' altro avviene in quantità strettamente equivalenti."
Se il sistema effettua una transizione dallo stato 1 allo stato 2, accompagnato dall'assorbimento di calore Q, che, a sua volta, viene speso per modificare l'energia interna ∆U e svolgere il lavoro A, allora matematicamente questo postulato è scritto dalle equazioni: Q=∆U +A o δQ=dU + δA.
La seconda legge della termodinamica, come la prima, non è derivata teoricamente, ma ha lo status di postulato. Tuttavia, la sua affidabilità è confermata dalle conseguenze che corrispondono a osservazioni sperimentali. In chimica fisica, la seguente formulazione è più comune: "Per ogni sistema isolato che non è in uno stato di equilibrio, l'entropia aumenta con il tempo e la sua crescita continua finché il sistema non entra in uno stato di equilibrio."
Matematicamente, questo postulato della termodinamica chimica ha la forma: dSisol≧0. Il segno di disuguaglianza in questo caso indica lo stato di non equilibrio e il segno "=" indica l'equilibrio.
