Einige Elemente der Grundlagen der chemischen Thermodynamik beginnen in der High School berücksichtigt zu werden. Im Chemieunterricht begegnen Schülern zum ersten Mal Begriffen wie reversiblen und irreversiblen Prozessen, chemischem Gleichgewicht, thermischen Effekten und vielen anderen mehr. Im Physikkurs der Schule lernen sie etwas über innere Energie, Arbeit, Potenziale und lernen sogar den ersten Hauptsatz der Thermodynamik kennen.
Definition der Thermodynamik
Studenten von Universitäten und Fachhochschulen der chemischen Verfahrenstechnik befassen sich ausführlich mit der Thermodynamik im Rahmen der physikalischen und/oder kolloidalen Chemie. Dies ist eines der grundlegenden Themen, dessen Verständnis es Ihnen ermöglicht, die Berechnungen durchzuführen, die für die Entwicklung neuer technologischer Produktionslinien und Ausrüstungen für sie erforderlich sind, und Probleme in bestehenden technologischen Schemata zu lösen.
Chemische Thermodynamik wird üblicherweise als einer der Zweige der physikalischen Chemie bezeichnet, der chemische Makrosysteme und verwandte Prozesse auf der Grundlage der allgemeinen Gesetze der Umwandlung von Wärme, Arbeit und Energie ineinander untersucht.
Es basiert auf drei Postulaten, die oft als Prinzipien der Thermodynamik bezeichnet werden. Sie haben nichtmathematischen Grundlage, sondern basieren auf der Verallgemeinerung von experimentellen Daten, die von der Menschheit gesammelt wurden. Aus diesen Gesetzmäßigkeiten werden zahlreiche Konsequenzen abgeleitet, die der Beschreibung der umgebenden Welt zugrunde liegen.
Aufgaben
Zu den Hauptaufgaben der chemischen Thermodynamik gehören:
- eine gründliche Studie sowie eine Erklärung der wichtigsten Muster, die die Richtung chemischer Prozesse, ihre Geschwindigkeit, die sie beeinflussenden Bedingungen (Umgebung, Verunreinigungen, Strahlung usw.) bestimmen;
- Berechnung des Energieeffekts eines beliebigen chemischen oder physikalisch-chemischen Prozesses;
- Ermittlung von Bedingungen für die maximale Ausbeute an Reaktionsprodukten;
- Bestimmung von Kriterien für den Gleichgewichtszustand verschiedener thermodynamischer Systeme;
- Aufstellen der notwendigen Kriterien für den spontanen Ablauf eines bestimmten physikalischen und chemischen Prozesses.
Objekt und Objekt
Dieser Abschnitt der Wissenschaft zielt nicht darauf ab, die Natur oder den Mechanismus irgendeines chemischen Phänomens zu erklären. Sie interessiert sich nur für die Energieseite der laufenden Prozesse. Daher kann das Thema der chemischen Thermodynamik Energie und die Gesetze der Energieumwandlung im Verlauf chemischer Reaktionen, der Auflösung von Stoffen beim Verdampfen und der Kristallisation genannt werden.
Diese Wissenschaft macht es möglich, gerade von der Energieseite her zu beurteilen, ob diese oder jene Reaktion unter bestimmten Bedingungen ablaufen kann.
Die Gegenstände seiner Untersuchung heißen Wärmebilanzen physikalischer und chemischer Prozesse, PhaseÜbergänge und chemische Gleichgewichte. Und das nur in makroskopischen Systemen, also solchen, die aus sehr vielen Teilchen bestehen.
Methoden
Thermodynamische Abteilung der physikalischen Chemie verwendet theoretische (Berechnung) und praktische (experimentelle) Methoden, um ihre Hauptprobleme zu lösen. Die erste Gruppe von Methoden ermöglicht es Ihnen, verschiedene Eigenschaften quantitativ in Beziehung zu setzen und einige davon auf der Grundlage der experimentellen Werte anderer unter Verwendung der Prinzipien der Thermodynamik zu berechnen. Die Gesetze der Quantenmechanik helfen dabei, Beschreibungsweisen und Merkmale der Bewegung von Teilchen zu ermitteln, die Größen, die sie charakterisieren, mit den im Laufe von Experimenten ermittelten physikalischen Parametern in Verbindung zu bringen.
Forschungsmethoden der chemischen Thermodynamik werden in zwei Gruppen eingeteilt:
- Thermodynamisch. Sie berücksichtigen nicht die Natur bestimmter Stoffe und beruhen nicht auf Modellvorstellungen über den atomaren und molekularen Aufbau von Stoffen. Solche Methoden werden üblicherweise als phänomenologisch bezeichnet, d. h. Beziehungen zwischen beobachteten Größen herstellen.
- Statistik. Sie basieren auf der Struktur von Materie und Quanteneffekten und ermöglichen die Beschreibung des Verh altens von Systemen auf der Grundlage der Analyse von Prozessen, die auf der Ebene von Atomen und ihren Bestandteilen stattfinden.
Beide Ansätze haben ihre Vor- und Nachteile.
| Methode | Würde | Fehler |
| Thermodynamik |
Wegen des GroßenAllgemeinheit ist ziemlich einfach und erfordert keine zusätzlichen Informationen, während spezifische Probleme gelöst werden |
Enthüllt den Prozessmechanismus nicht |
| Statistik | Hilft, die Essenz und den Mechanismus des Phänomens zu verstehen, da es auf Vorstellungen über Atome und Moleküle basiert | Erfordert gründliche Vorbereitung und viel Wissen |
Grundbegriffe der chemischen Thermodynamik
Ein System ist ein beliebiges materielles makroskopisches Untersuchungsobjekt, isoliert von der äußeren Umgebung, und die Grenze kann sowohl real als auch imaginär sein.
Systemtypen:
- geschlossen (geschlossen) - gekennzeichnet durch die Konstanz der Gesamtmasse, es findet kein Stoffaustausch mit der Umgebung statt, jedoch ist ein Energieaustausch möglich;
- offen - tauscht sowohl Energie als auch Materie mit der Umgebung aus;
- isoliert - tauscht keine Energie (Wärme, Arbeit) oder Materie mit der äußeren Umgebung aus, während es ein konstantes Volumen hat;
- adiabatisch-isoliert - hat nicht nur Wärmeaustausch mit der Umgebung, sondern kann auch mit Arbeit in Verbindung gebracht werden.
Die Konzepte thermischer, mechanischer und Diffusionskontakte werden verwendet, um die Methode des Energie- und Stoffaustausches anzuzeigen.
Systemzustandsparameter sind alle messbaren Makromerkmale des Systemzustands. Sie können sein:
- intensiv - unabhängig von Masse (Temperatur, Druck);
- extensiv (kapazitiv) - proportional zur Masse des Stoffes (Volumen,Wärmekapazität, Masse).
Alle diese Parameter sind von der chemischen Thermodynamik aus der Physik und Chemie entlehnt, bekommen aber einen etwas anderen Inh alt, da sie temperaturabhängig betrachtet werden. Dank diesem Wert sind die verschiedenen Eigenschaften miteinander verbunden.
Gleichgewicht ist ein Zustand eines Systems, in dem es konstanten äußeren Bedingungen ausgesetzt ist und sich durch eine vorübergehende Konstanz thermodynamischer Parameter sowie das Fehlen von Stoff- und Wärmeströmen darin auszeichnet. Für diesen Zustand wird die Konstanz von Druck, Temperatur und chemischem Potential im gesamten Volumen des Systems beobachtet.
Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsprozesse
Der thermodynamische Prozess nimmt im System der Grundbegriffe der chemischen Thermodynamik einen besonderen Platz ein. Sie ist definiert als Zustandsänderungen des Systems, die durch Änderungen eines oder mehrerer thermodynamischer Parameter gekennzeichnet sind.
Zustandsänderungen des Systems sind unter verschiedenen Bedingungen möglich. Dabei wird zwischen Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsprozessen unterschieden. Ein Gleichgewichtsprozess (oder quasistatischer Prozess) wird als eine Reihe von Gleichgewichtszuständen eines Systems betrachtet. In diesem Fall ändern sich alle seine Parameter unendlich langsam. Damit ein solcher Prozess stattfinden kann, müssen eine Reihe von Bedingungen erfüllt sein:
- Unendlich kleiner Unterschied in den Werten wirkender und entgegenwirkender Kräfte (Innen- und Außendruck etc.).
- Unendlich langsame Geschwindigkeit des Prozesses.
- Maximale Arbeit.
- Eine infinitesimale Änderung der äußeren Kraft ändert die Richtung des Flussesumgekehrter Vorgang.
- Die Werte der Arbeit von direkten und umgekehrten Prozessen sind gleich und ihre Pfade sind gleich.
Der Prozess, bei dem der Nichtgleichgewichtszustand des Systems ins Gleichgewicht gebracht wird, wird als Entspannung bezeichnet, und seine Dauer wird als Entspannungszeit bezeichnet. In der chemischen Thermodynamik wird oft der größte Wert der Relaxationszeit für jeden Prozess genommen. Dies liegt daran, dass reale Systeme mit den entstehenden Energie- und/oder Stoffströmen im System leicht den Gleichgewichtszustand verlassen und sich im Ungleichgewicht befinden.
Reversible und irreversible Prozesse
Umkehrbarer thermodynamischer Prozess ist der Übergang eines Systems von einem seiner Zustände in einen anderen. Es kann nicht nur in die Vorwärtsrichtung fließen, sondern auch in die entgegengesetzte Richtung, und zwar durch die gleichen Zwischenzustände, während sich die Umgebung nicht ändert.
Irreversibel ist ein Prozess, bei dem der Übergang des Systems von einem Zustand in einen anderen unmöglich ist und nicht von Änderungen in der Umgebung begleitet wird.
Irreversible Prozesse sind:
- Wärmeübertragung bei endlicher Temperaturdifferenz;
- Expansion eines Gases im Vakuum, da dabei keine Arbeit verrichtet wird und es unmöglich ist, das Gas ohne sie zu komprimieren;
- Diffusion, da die Gase nach dem Entfernen leicht ineinander diffundieren und der umgekehrte Vorgang ohne Arbeit nicht möglich ist.
Andere Arten von thermodynamischen Prozessen
Kreislaufprozess (Zyklus) ist ein solcher Prozess, währenddem das System durch eine Änderung seiner Eigenschaften gekennzeichnet war und am Ende wieder auf seine ursprünglichen Werte zurückkehrte.
Je nach den den Prozess charakterisierenden Werten von Temperatur, Volumen und Druck werden in der chemischen Thermodynamik folgende Prozesstypen unterschieden:
- Isotherm (T=const).
- Isobar (P=const).
- Isochorisch (V=const).
- Adiabat (Q=const).
Die Gesetze der chemischen Thermodynamik
Bevor wir uns mit den Hauptpostulaten befassen, ist es notwendig, sich an die Essenz der Größen zu erinnern, die den Zustand verschiedener Systeme charakterisieren.
Unter der inneren Energie U eines Systems versteht man den Vorrat seiner Energie, die sich aus den Bewegungs- und Wechselwirkungsenergien der Teilchen zusammensetzt, also aus allen Energiearten außer der kinetischen Energie und der potentiellen Ortsenergie. Bestimme seine Änderung ∆U.
Die Enthalpie H wird oft als Energie des ausgedehnten Systems bezeichnet, ebenso wie sein Wärmeinh alt. H=U+pV.
Wärme Q ist eine ungeordnete Form der Energieübertragung. Die innere Wärme des Systems gilt als positiv (Q > 0), wenn Wärme aufgenommen wird (endothermer Prozess). Er ist negativ (Q < 0), wenn Wärme freigesetzt wird (exothermer Vorgang).
Arbeit A ist eine geordnete Form der Energieübertragung. Sie gilt als positiv (A>0), wenn sie vom System gegen äußere Kräfte ausgeführt wird, und als negativ (A<0), wenn sie durch äußere Kräfte auf das System ausgeführt wird.
Das grundlegende Postulat ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik. Da sind vieleseine Formulierungen, unter denen folgende unterschieden werden können: "Der Übergang von Energie von einer Art zur anderen erfolgt in streng äquivalenten Mengen."
Wenn das System vom Zustand 1 in den Zustand 2 übergeht, begleitet von der Aufnahme von Wärme Q, die wiederum für die Änderung der inneren Energie ∆U und die Verrichtung der Arbeit A aufgewendet wird, dann ist mathematisch gesehen dieses Postulat geschrieben durch die Gleichungen: Q=∆U +A oder δQ=dU + δA.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist wie der erste nicht theoretisch hergeleitet, sondern hat den Status eines Postulats. Seine Zuverlässigkeit wird jedoch durch die Konsequenzen bestätigt, die experimentellen Beobachtungen entsprechen. In der physikalischen Chemie ist die folgende Formulierung gebräuchlicher: "Für jedes isolierte System, das sich nicht im Gleichgewichtszustand befindet, nimmt die Entropie mit der Zeit zu, und ihr Wachstum setzt sich fort, bis das System in einen Gleichgewichtszustand eintritt."
Mathematisch gesehen hat dieses Postulat der chemischen Thermodynamik die Form: dSisol≧0. Das Ungleichheitszeichen zeigt in diesem Fall den Nichtgleichgewichtszustand an, und das Zeichen "=" zeigt das Gleichgewicht an.
