Baadhi ya vipengele vya misingi ya thermodynamics ya kemikali huanza kuzingatiwa katika shule ya upili. Katika masomo ya kemia, wanafunzi kwa mara ya kwanza hukutana na dhana kama vile michakato inayoweza kutenduliwa na isiyoweza kutenduliwa, usawa wa kemikali, athari ya joto na zingine nyingi. Kutoka kwa kozi ya fizikia ya shule, wanajifunza kuhusu nishati ya ndani, kazi, uwezo, na hata kufahamiana na sheria ya kwanza ya thermodynamics.
Ufafanuzi wa thermodynamics
Wanafunzi wa vyuo vikuu na vyuo vya taaluma ya uhandisi wa kemikali husoma thermodynamics kwa kina ndani ya mfumo wa kemia halisi na/au colloidal. Hili ni mojawapo ya masomo ya msingi, uelewaji wake unaokuwezesha kufanya mahesabu muhimu kwa ajili ya maendeleo ya mistari mpya ya uzalishaji wa teknolojia na vifaa kwao, kutatua matatizo katika miradi iliyopo ya kiteknolojia.
Thermodynamics ya kemikali kwa kawaida huitwa mojawapo ya matawi ya kemia halisi ambayo huchunguza mifumo mikuu ya kemikali na michakato inayohusiana kulingana na sheria za jumla za mabadiliko ya joto, kazi na nishati kwenda kwenye kila kimoja.
Inatokana na postulates tatu, ambazo mara nyingi huitwa kanuni za thermodynamics. Hawanamsingi wa hisabati, lakini ni msingi wa ujanibishaji wa data ya majaribio ambayo imekusanywa na wanadamu. Matokeo mengi yanatokana na sheria hizi, ambazo zinaunda msingi wa maelezo ya ulimwengu unaozunguka.
Kazi
Kazi kuu za thermodynamics ya kemikali ni pamoja na:
- utafiti wa kina, pamoja na maelezo ya mifumo muhimu zaidi inayobainisha mwelekeo wa michakato ya kemikali, kasi yao, hali zinazoziathiri (mazingira, uchafu, mionzi, n.k.);
- hesabu ya athari ya nishati ya mchakato wowote wa kemikali au fizikia;
- ugunduzi wa masharti ya kiwango cha juu cha mavuno ya bidhaa za athari;
- uamuzi wa vigezo vya hali ya usawa ya mifumo mbalimbali ya halijoto;
- kuanzisha vigezo muhimu vya mtiririko wa moja kwa moja wa mchakato fulani wa kimwili na kemikali.
Kitu na kipengee
Sehemu hii ya sayansi hailengi kueleza asili au utaratibu wa jambo lolote la kemikali. Anavutiwa tu na upande wa nishati wa michakato inayoendelea. Kwa hivyo, mada ya thermodynamics ya kemikali inaweza kuitwa nishati na sheria za ubadilishaji wa nishati wakati wa athari za kemikali, kuyeyuka kwa dutu wakati wa uvukizi na uwekaji fuwele.
Sayansi hii inafanya uwezekano wa kutathmini ikiwa majibu haya au yale yanaweza kuendelea chini ya hali fulani kwa usahihi kutoka upande wa nishati wa suala.
Vipengee vya utafiti wake vinaitwa mizani ya joto ya michakato ya kimwili na kemikali, awamumabadiliko na usawa wa kemikali. Na katika mifumo ya macroscopic pekee, yaani, ile inayojumuisha idadi kubwa ya chembe.
Mbinu
Sehemu ya thermodynamic ya kemia ya kimwili hutumia mbinu za kinadharia (kukokotoa) na za vitendo (majaribio) kutatua matatizo yake makuu. Kundi la kwanza la njia hukuruhusu kuhusisha kwa kiasi mali tofauti, na kuhesabu baadhi yao kulingana na maadili ya majaribio ya wengine, kwa kutumia kanuni za thermodynamics. Sheria za mechanics ya quantum husaidia kuanzisha njia za kuelezea na vipengele vya mwendo wa chembe, kuunganisha kiasi kinachowatambulisha na vigezo vya kimwili vilivyobainishwa wakati wa majaribio.
Njia za utafiti za thermodynamics za kemikali zimegawanywa katika vikundi viwili:
- Thermodynamic. Hazizingatii asili ya vitu maalum na sio msingi wa maoni yoyote ya mfano juu ya muundo wa atomiki na Masi wa dutu. Njia kama hizo kwa kawaida huitwa phenomenological, yaani, kuanzisha uhusiano kati ya kiasi kinachozingatiwa.
- Takwimu. Zinatokana na muundo wa maada na athari za quantum, huruhusu kuelezea tabia ya mifumo kulingana na uchanganuzi wa michakato inayotokea katika kiwango cha atomi na chembe zao kuu.
Njia zote mbili hizi zina faida na hasara zake.
| Mbinu | Hadhi | Dosari |
| Thermodynamic | Kutokana na kubwaujumla ni rahisi sana na hauhitaji maelezo ya ziada, wakati wa kutatua matatizo mahususi | Haionyeshi utaratibu wa mchakato |
| Takwimu |
Husaidia kuelewa kiini na utaratibu wa jambo hili, kwa kuwa linatokana na mawazo kuhusu atomi na molekuli |
Inahitaji maandalizi ya kina na kiasi kikubwa cha maarifa |
Dhana za kimsingi za kemikali thermodynamics
Mfumo ni nyenzo yoyote muhimu ya utafiti, iliyotengwa na mazingira ya nje, na mpaka unaweza kuwa halisi na wa kufikirika.
Aina za mifumo:
- imefungwa (imefungwa) - inayojulikana na uthabiti wa wingi wa jumla, hakuna kubadilishana jambo na mazingira, hata hivyo, kubadilishana nishati kunawezekana;
- wazi - hubadilishana nishati na maada na mazingira;
- iliyotengwa - haibadilishi nishati (joto, kazi) au jambo na mazingira ya nje, ilhali ina sauti isiyobadilika;
- adiabatic-imetengwa - haina tu kubadilishana joto na mazingira, lakini inaweza kuhusishwa na kazi.
Dhana za viunganishi vya joto, mitambo na uenezaji hutumika kuashiria mbinu ya kubadilishana nishati na maada.
Vigezo vya hali ya mfumo ni sifa kuu zozote zinazoweza kupimika za hali ya mfumo. Wanaweza kuwa:
- kali - isiyotegemea uzito (joto, shinikizo);
- kina (capacitive) - sawia na wingi wa dutu (kiasi,uwezo wa joto, wingi).
Vigezo hivi vyote hukopwa na thermodynamics ya kemikali kutoka fizikia na kemia, lakini hupata maudhui tofauti kidogo, kwa kuwa huzingatiwa kulingana na halijoto. Ni kutokana na thamani hii kwamba sifa mbalimbali zimeunganishwa.
Msawazo ni hali ya mfumo ambao huja chini ya hali ya mara kwa mara ya nje na ina sifa ya kudumu kwa muda wa vigezo vya thermodynamic, pamoja na kukosekana kwa nyenzo na mtiririko wa joto ndani yake. Katika hali hii, uthabiti wa shinikizo, halijoto na uwezo wa kemikali huzingatiwa katika ujazo wote wa mfumo.
Michakato ya usawa na isiyo ya usawa
Mchakato wa thermodynamics unachukua nafasi maalum katika mfumo wa dhana za kimsingi za thermodynamics ya kemikali. Inafafanuliwa kama mabadiliko katika hali ya mfumo, ambayo hubainishwa na mabadiliko katika kigezo kimoja au zaidi cha thermodynamic.
Mabadiliko katika hali ya mfumo yanawezekana chini ya hali tofauti. Katika suala hili, tofauti hufanywa kati ya michakato ya usawa na isiyo ya usawa. Mchakato wa usawa (au quasi-static) unazingatiwa kama safu ya hali za usawa za mfumo. Katika kesi hii, vigezo vyake vyote vinabadilika polepole sana. Ili mchakato kama huu ufanyike, masharti kadhaa lazima yatimizwe:
- Tofauti ndogo kabisa katika maadili ya kutenda na pinzani (shinikizo la ndani na nje, n.k.).
- Kasi ya polepole sana ya mchakato.
- kazi ya juu zaidi.
- Badiliko lisilo na kikomo la nguvu ya nje hubadilisha mwelekeo wa mtiririkomchakato wa kubadilisha.
- Thamani za kazi ya michakato ya moja kwa moja na ya nyuma ni sawa, na njia zao ni sawa.
Mchakato wa kubadilisha hali ya kutokuwa na usawa ya mfumo hadi usawa inaitwa kupumzika, na muda wake unaitwa wakati wa kupumzika. Katika thermodynamics ya kemikali, thamani kubwa zaidi ya muda wa kupumzika kwa mchakato wowote mara nyingi huchukuliwa. Hii ni kutokana na ukweli kwamba mifumo halisi huondoka kwa urahisi katika hali ya usawa na mtiririko unaojitokeza wa nishati na/au maada katika mfumo na haina usawa.
Michakato inayoweza kutenduliwa na isiyoweza kutenduliwa
Mchakato wa kubadilisha halijoto unaoweza kutenduliwa ni mpito wa mfumo kutoka mojawapo ya majimbo yake hadi nyingine. Inaweza kutiririka sio tu kwa mwelekeo wa mbele, lakini pia kwa mwelekeo tofauti, zaidi ya hayo, kupitia majimbo sawa ya kati, wakati hakutakuwa na mabadiliko katika mazingira.
Inayoweza kutenduliwa ni mchakato ambao ubadilishaji wa mfumo kutoka hali moja hadi nyingine hauwezekani, hauambatani na mabadiliko katika mazingira.
Michakato isiyoweza kutenduliwa ni:
- uhamishaji joto kwa tofauti ya kikomo ya halijoto;
- upanuzi wa gesi katika utupu, kwa kuwa hakuna kazi inayofanyika wakati huo, na haiwezekani kukandamiza gesi bila kuifanya;
- usambazaji, kwani baada ya kuondolewa gesi zitasambaa kwa urahisi, na mchakato wa kurudi nyuma hauwezekani bila kufanya kazi.
Aina zingine za michakato ya halijoto
Mchakato wa mduara (mzunguko) ni mchakato kama huu, wakatiambayo mfumo ulibainishwa na mabadiliko katika sifa zake, na mwisho wake ulirudi kwa maadili yake asili.
Kulingana na maadili ya halijoto, kiasi na shinikizo linaloashiria mchakato, aina zifuatazo za mchakato hutofautishwa katika thermodynamics ya kemikali:
- Isothermal (T=const).
- Isobaric (P=const).
- Isochoric (V=const).
- Adiabatic (Q=const).
Sheria za kemikali thermodynamics
Kabla ya kuzingatia machapisho makuu, ni muhimu kukumbuka kiini cha kiasi kinachoashiria hali ya mifumo mbalimbali.
Nishati ya ndani U ya mfumo inaeleweka kuwa hifadhi ya nishati yake, ambayo inajumuisha nishati ya mwendo na mwingiliano wa chembe, yaani, aina zote za nishati isipokuwa nishati ya kinetiki na nishati yake inayoweza kutokea ya nafasi.. Amua mabadiliko yake ∆U.
Enthalpy H mara nyingi huitwa nishati ya mfumo uliopanuliwa, pamoja na maudhui yake ya joto. H=U+pV.
Heat Q ni uhamishaji nishati usio na utaratibu. Joto la ndani la mfumo linachukuliwa kuwa chanya (Q > 0) ikiwa joto linaingizwa (mchakato wa endothermic). Ni hasi (Q < 0) ikiwa joto litatolewa (mchakato wa hali ya hewa joto).
Kazi A ni njia iliyoagizwa ya kuhamisha nishati. Inachukuliwa kuwa chanya (A>0) ikiwa inafanywa na mfumo dhidi ya nguvu za nje, na hasi (A<0) ikiwa inafanywa na nguvu za nje kwenye mfumo.
Nakala ya kimsingi ni sheria ya kwanza ya thermodynamics. Wapo wengiuundaji wake, kati ya ambayo yafuatayo yanaweza kutofautishwa: "Mpito wa nishati kutoka kwa aina moja hadi nyingine hutokea kwa kiasi sawa kabisa."
Iwapo mfumo utafanya mageuzi kutoka hali ya 1 hadi hali 2, ikiambatana na ufyonzwaji wa joto Q, ambalo, kwa upande wake, hutumika kubadilisha nishati ya ndani ∆U na kufanya kazi A, basi kihisabati chapisho hili ni. iliyoandikwa na milinganyo: Q=∆U +A au δQ=dU + δA.
Sheria ya pili ya thermodynamics, kama ya kwanza, haitolewi kinadharia, lakini ina hadhi ya postulate. Walakini, kuegemea kwake kunathibitishwa na matokeo yake yanayolingana na uchunguzi wa majaribio. Katika kemia ya kimwili, uundaji ufuatao ni wa kawaida zaidi: "Kwa mfumo wowote wa pekee ambao hauko katika hali ya usawa, entropy huongezeka kwa wakati, na ukuaji wake unaendelea hadi mfumo unapoingia katika hali ya usawa."
Kihisabati, chapisho hili la thermodynamics ya kemikali lina fomu hii: dSisol≧0. Ishara ya ukosefu wa usawa katika kesi hii inaonyesha hali ya kutokuwa na usawa, na ishara "=" inaonyesha usawa.
