חלק מהיסודות של התרמודינמיקה הכימית מתחילים להיחשב בבית הספר התיכון. בשיעורי כימיה, תלמידים נתקלים לראשונה במושגים כמו תהליכים הפיכים ובלתי הפיכים, שיווי משקל כימי, אפקט תרמי ועוד רבים אחרים. מהקורס בפיזיקה בבית הספר הם לומדים על אנרגיה פנימית, עבודה, פוטנציאלים, ואפילו מתוודעים לחוק הראשון של התרמודינמיקה.
הגדרה של תרמודינמיקה
סטודנטים מאוניברסיטאות ומכללות להתמחות בהנדסה כימית לומדים תרמודינמיקה בפירוט במסגרת של כימיה פיזיקלית ו/או קולואידלית. זהו אחד הנושאים הבסיסיים, שהבנתם מאפשרת לבצע את החישובים הדרושים לפיתוח קווי ייצור וציוד טכנולוגיים חדשים עבורם, פתרון בעיות בתכניות טכנולוגיות קיימות.
תרמודינמיקה כימית נקראת בדרך כלל אחד מענפי הכימיה הפיזיקלית החוקרת מאקרו-מערכות כימיות ותהליכים קשורים בהתבסס על החוקים הכלליים על הפיכת חום, עבודה ואנרגיה זה לזה.
זה מבוסס על שלוש הנחות, אשר נקראות לעתים קרובות עקרונות התרמודינמיקה. אין להםבסיס מתמטי, אך מבוססים על הכללה של נתונים ניסיוניים שנצברו על ידי האנושות. מהחוקים הללו נגזרות השלכות רבות, המהוות את הבסיס לתיאור העולם הסובב.
משימות
המשימות העיקריות של התרמודינמיקה הכימית כוללות:
- מחקר יסודי, כמו גם הסבר על הדפוסים החשובים ביותר הקובעים את כיוון התהליכים הכימיים, מהירותם, התנאים המשפיעים עליהם (סביבה, זיהומים, קרינה וכו');
- חישוב של השפעת האנרגיה של כל תהליך כימי או פיזי-כימי;
- זיהוי תנאים לתפוקה המקסימלית של תוצרי תגובה;
- קביעת קריטריונים למצב שיווי המשקל של מערכות תרמודינמיות שונות;
- קביעת הקריטריונים הדרושים לזרימה ספונטנית של תהליך פיזי וכימי מסוים.
Object and object
קטע המדע הזה לא נועד להסביר את הטבע או המנגנון של תופעה כימית כלשהי. היא מתעניינת רק בצד האנרגטי של התהליכים המתמשכים. לכן, ניתן לקרוא לנושא התרמודינמיקה הכימית אנרגיה וחוקי המרת אנרגיה במהלך תגובות כימיות, פירוק חומרים בזמן אידוי והתגבשות.
מדע זה מאפשר לשפוט אם תגובה זו או אחרת מסוגלת להתקדם בתנאים מסוימים בדיוק מהצד האנרגטי של הנושא.
מושאי המחקר שלו נקראים מאזני חום של תהליכים פיזיקליים וכימיים, פאזהמעברים ושיווי משקל כימיים. ורק במערכות מקרוסקופיות, כלומר כאלו המורכבות ממספר עצום של חלקיקים.
שיטות
הקטע התרמודינמי של הכימיה הפיזיקלית משתמש בשיטות תיאורטיות (חישוב) ומעשיות (ניסיוניות) כדי לפתור את הבעיות העיקריות שלו. קבוצת השיטות הראשונה מאפשרת לך להתייחס כמותית למאפיינים שונים ולחשב כמה מהם על סמך ערכי הניסוי של אחרים, תוך שימוש בעקרונות התרמודינמיקה. חוקי מכניקת הקוונטים עוזרים לבסס את דרכי התיאור והתכונות של תנועת החלקיקים, לחבר בין הכמויות המאפיינות אותם לפרמטרים הפיזיקליים שנקבעו במהלך הניסויים.
שיטות מחקר של תרמודינמיקה כימית מחולקות לשתי קבוצות:
- תרמודינמית. הם אינם לוקחים בחשבון את טבעם של חומרים ספציפיים ואינם מבוססים על רעיונות כלשהם לגבי המבנה האטומי והמולקולרי של חומרים. שיטות כאלה נקראות בדרך כלל פנומנולוגיות, כלומר, יצירת קשרים בין כמויות שנצפו.
- סטטיסטיקה. הם מבוססים על מבנה החומר והשפעות קוונטיות, מאפשרים לתאר את התנהגותן של מערכות על סמך ניתוח תהליכים המתרחשים ברמת האטומים והחלקיקים המרכיבים אותם.
לשתי הגישות הללו יש יתרונות וחסרונות.
| שיטה | Dignity | פגמים |
| Thermodynamic | בשל הגדולהכלליות פשוטה למדי ואינה דורשת מידע נוסף, תוך פתרון בעיות ספציפיות | לא חושף את מנגנון התהליך |
| Statistical | עוזר להבין את המהות והמנגנון של התופעה, שכן היא מבוססת על רעיונות לגבי אטומים ומולקולות | דורש הכנה יסודית וכמות גדולה של ידע |
מושגים בסיסיים של תרמודינמיקה כימית
מערכת היא כל אובייקט מחקר מקרוסקופי חומרי, מבודד מהסביבה החיצונית, והגבול יכול להיות גם אמיתי וגם דמיוני.
סוגי מערכות:
- סגור (סגור) - מאופיין בקביעות של המסה הכוללת, אין חילופי חומר עם הסביבה, עם זאת, חילופי אנרגיה אפשריים;
- פתוח - מחליף גם אנרגיה וגם חומר עם הסביבה;
- מבודד - אינו מחליף אנרגיה (חום, עבודה) או חומר עם הסביבה החיצונית, בעוד שיש לו נפח קבוע;
- adiabatic-isolated - אין לו רק חילופי חום עם הסביבה, אלא ניתן לשייך לעבודה.
המושגים של מגעים תרמיים, מכניים ודיפוזיה משמשים לציון השיטה של חילופי אנרגיה וחומר.
פרמטרי מצב המערכת הם כל מאפייני מאקרו מדידים של מצב המערכת. הם יכולים להיות:
- intense - בלתי תלוי במסה (טמפרטורה, לחץ);
- extensive (קיבולי) - פרופורציונלי למסה של החומר (נפח,קיבולת חום, מסה).
כל הפרמטרים הללו מושאלים על ידי תרמודינמיקה כימית מהפיסיקה והכימיה, אך מקבלים תוכן מעט שונה, מכיוון שהם נחשבים בהתאם לטמפרטורה. הודות לערך זה הנכסים השונים מחוברים זה לזה.
שיווי משקל הוא מצב של מערכת בה הוא מגיע בתנאים חיצוניים קבועים ומאופיין בקביעות זמנית של פרמטרים תרמודינמיים, כמו גם בהיעדר זרימות חומר וחום בה. עבור מצב זה, קביעות הלחץ, הטמפרטורה והפוטנציאל הכימי נצפית בכל נפח המערכת.
תהליכי שיווי משקל וחוסר שיווי משקל
התהליך התרמודינמי תופס מקום מיוחד במערכת המושגים הבסיסיים של התרמודינמיקה הכימית. הוא מוגדר כשינויים במצב המערכת, המאופיינים בשינויים בפרמטר תרמודינמי אחד או יותר.
שינויים במצב המערכת אפשריים בתנאים שונים. בהקשר זה, מבחינים בין תהליכי שיווי משקל ותהליכים שאינם שיווי משקל. תהליך שיווי משקל (או מעין סטטי) נחשב כסדרה של מצבי שיווי משקל של מערכת. במקרה זה, כל הפרמטרים שלו משתנים לאט לאט. כדי שתהליך כזה יתקיים, יש לעמוד במספר תנאים:
- הבדל קטן לאין שיעור בערכי הכוחות הפועלים והמנוגדים (לחץ פנימי וחיצוני וכו').
- מהירות איטית אינסופית של התהליך.
- מקסימום עבודה.
- שינוי אינסופי בכוח החיצוני משנה את כיוון הזרימהתהליך הפוך.
- הערכים של העבודה של תהליכים ישירים והפוכים שווים, והנתיבים שלהם זהים.
תהליך של שינוי מצב אי-שיווי המשקל של המערכת לשיווי משקל נקרא הרפיה, ומשך הזמן שלו נקרא זמן הרפיה. בתרמודינמיקה כימית, לרוב נלקח הערך הגדול ביותר של זמן ההרפיה עבור כל תהליך. זאת בשל העובדה שמערכות אמיתיות עוזבות בקלות את מצב שיווי המשקל עם זרימות האנרגיה ו/או החומר המתעוררות במערכת ואינן בשיווי משקל.
תהליכים הפיכים ובלתי הפיכים
תהליך תרמודינמי הפיך הוא המעבר של מערכת מאחד המצבים שלה לאחר. הוא יכול לזרום לא רק בכיוון קדימה, אלא גם בכיוון ההפוך, יתר על כן, דרך אותם מצבי ביניים, בעוד שלא יהיו שינויים בסביבה.
בלתי הפיך הוא תהליך שעבורו המעבר של המערכת ממצב אחד למשנהו הוא בלתי אפשרי, שאינו מלווה בשינויים בסביבה.
תהליכים בלתי הפיכים הם:
- העברת חום בהפרש טמפרטורה סופי;
- הרחבת גז בוואקום, כיון שלא נעשית עבודה במהלכה, ואי אפשר לדחוס את הגז בלי לעשותה;
- דיפוזיה, מאחר שלאחר ההסרה הגזים יתפזרו בקלות הדדית, והתהליך ההפוך בלתי אפשרי בלי לעשות עבודה.
סוגים אחרים של תהליכים תרמודינמיים
תהליך מעגלי (מחזור) הוא תהליך כזה, במהלךשהמערכת התאפיינה בשינוי בתכונותיה, ובסיומו חזרה לערכיה המקוריים.
בהתאם לערכי הטמפרטורה, הנפח והלחץ המאפיינים את התהליך, ניתן להבחין בין סוגי התהליך הבאים בתרמודינמיקה כימית:
- איזותרמי (T=const).
- Isobaric (P=const).
- Isochoric (V=const).
- Adiabatic (Q=const).
חוקי התרמודינמיקה הכימית
לפני בחינת ההנחות העיקריות, יש לזכור את מהות הכמויות המאפיינות את מצבן של מערכות שונות.
האנרגיה הפנימית U של מערכת מובנת כמלאי האנרגיה שלה, המורכבת מאנרגיות התנועה והאינטראקציה של חלקיקים, כלומר, כל סוגי האנרגיה מלבד האנרגיה הקינטית והאנרגיה הפוטנציאלית של המיקום שלה.. קבע את השינוי שלו ∆U.
אנתלפיה H נקראת לעתים קרובות האנרגיה של המערכת המורחבת, כמו גם תכולת החום שלה. H=U+pV.
Heat Q היא צורה מופרעת של העברת אנרגיה. החום הפנימי של המערכת נחשב חיובי (Q > 0) אם חום נספג (תהליך אנדותרמי). הוא שלילי (Q < 0) אם חום משתחרר (תהליך אקסותרמי).
עבודה A היא צורה מסודרת של העברת אנרגיה. זה נחשב חיובי (A>0) אם הוא מבוצע על ידי המערכת כנגד כוחות חיצוניים, ושלילי (A<0) אם הוא מבוצע על ידי כוחות חיצוניים על המערכת.
הנחה הבסיסית היא החוק הראשון של התרמודינמיקה. יש הרבההניסוחים שלו, ביניהם ניתן להבחין בין הדברים הבאים: "המעבר של אנרגיה מסוג אחד לאחר מתרחש בכמויות שוות בהחלט."
אם המערכת עושה מעבר ממצב 1 למצב 2, מלווה בספיגת חום Q, אשר, בתורו, מושקע בשינוי האנרגיה הפנימית ∆U וביצוע עבודה A, אז מבחינה מתמטית ההנחה הזו היא נכתב על ידי המשוואות: Q=∆U +A או δQ=dU + δA.
החוק השני של התרמודינמיקה, כמו הראשון, אינו נגזר תיאורטית, אלא יש לו מעמד של פוסטולטה. עם זאת, מהימנותו מאושרת על ידי ההשלכות שלו המתאימות לתצפיות ניסיוניות. בכימיה פיזיקלית, הניסוח הבא נפוץ יותר: "עבור כל מערכת מבודדת שאינה במצב של שיווי משקל, האנטרופיה גדלה עם הזמן, וצמיחתה נמשכת עד שהמערכת נכנסת למצב של שיווי משקל."
מבחינה מתמטית, להנחה זו של תרמודינמיקה כימית יש את הצורה: dSisol≧0. סימן אי השוויון במקרה זה מציין את מצב אי-שיווי המשקל, והסימן "=" מציין שיווי משקל.
