Химийн термодинамикийн суурь зарим элементүүдийг ахлах сургуульд авч үзэж эхэлдэг. Химийн хичээл дээр оюутнууд буцах ба эргэлт буцалтгүй үйл явц, химийн тэнцвэрт байдал, дулааны эффект гэх мэт ойлголтуудыг анх удаа олж авдаг. Сургуулийн физикийн хичээлээс тэд дотоод энерги, ажил, потенциалын талаар суралцаж, термодинамикийн нэгдүгээр хуультай хүртэл танилцдаг.
Термодинамикийн тодорхойлолт
Хими инженерийн чиглэлээр их дээд сургууль, коллежийн оюутнууд термодинамикийг физик ба/эсвэл коллоид химийн хичээлийн хүрээнд нарийвчлан судалдаг. Энэ нь үндсэн сэдвүүдийн нэг бөгөөд үүнийг ойлгох нь танд шинэ технологийн үйлдвэрлэлийн шугам, тэдгээрийн тоног төхөөрөмжийг хөгжүүлэхэд шаардлагатай тооцоолол хийх, одоо байгаа технологийн схемийн асуудлыг шийдвэрлэх боломжийг олгодог.
Химийн термодинамикийг ихэвчлэн дулаан, ажил, энерги бие биедээ хувиргах ерөнхий хуулиудад үндэслэн химийн макросистем болон холбогдох процессуудыг судалдаг физик химийн нэг салбар гэж нэрлэдэг.
Энэ нь ихэвчлэн термодинамикийн зарчим гэж нэрлэгддэг гурван постулат дээр суурилдаг. Тэдэнд байхгүйматематик үндэслэл, гэхдээ хүн төрөлхтний хуримтлуулсан туршилтын өгөгдлүүдийг нэгтгэн дүгнэхэд үндэслэсэн болно. Эргэн тойрон дахь ертөнцийг дүрслэх үндэс болсон эдгээр хуулиас олон тооны үр дагавар гарч ирдэг.
Даалгавар
Химийн термодинамикийн үндсэн ажлууд нь:
- нарийвчилсан судалгаа, түүнчлэн химийн процессын чиглэл, хурд, тэдгээрт нөлөөлж буй нөхцөл байдал (байгаль орчин, хольц, цацраг туяа гэх мэт) -ийг тодорхойлдог хамгийн чухал зүй тогтолын тайлбар;
- аливаа химийн болон физик-химийн үйл явцын энергийн нөлөөллийн тооцоо;
- урвалын бүтээгдэхүүний хамгийн их гарцын нөхцөлийг илрүүлэх;
- төрөл бүрийн термодинамик системийн тэнцвэрт байдлын шалгуур үзүүлэлтийг тодорхойлох;
- тодорхой физик, химийн процессын аяндаа урсах шаардлагатай шалгуурыг тогтоох.
Объект ба объект
Шинжлэх ухааны энэ хэсэг нь аливаа химийн үзэгдлийн мөн чанар, механизмыг тайлбарлахыг зорьдоггүй. Тэр зөвхөн явагдаж буй үйл явцын эрчим хүчний талыг сонирхож байна. Иймд химийн термодинамикийн хичээлийг энерги гэж нэрлэж болох ба химийн урвалын явц дахь энергийн хувирлын хуулиуд, ууршилт, талсжилтын үед бодисын уусах үйл явц.
Энэ шинжлэх ухаан нь тухайн урвал тодорхой нөхцөлд яг эрчим хүчний талаасаа явагдах чадвартай эсэхийг дүгнэх боломжийг олгодог.
Түүний судалгааны объектыг физик, химийн процессын дулааны баланс, үе шат гэж нэрлэдэгшилжилт ба химийн тэнцвэрт байдал. Зөвхөн макроскопийн системд, өөрөөр хэлбэл асар олон тооны бөөмсөөс бүрддэг.
Арга
Физик химийн термодинамик хэсэг нь үндсэн асуудлуудаа шийдвэрлэхийн тулд онолын (тооцоо) болон практик (туршилт) аргуудыг ашигладаг. Эхний бүлгийн аргууд нь термодинамикийн зарчмуудыг ашиглан өөр өөр шинж чанаруудыг тоон байдлаар холбож, заримыг нь бусдын туршилтын утга дээр үндэслэн тооцоолох боломжийг олгодог. Квант механикийн хуулиуд нь бөөмсийн хөдөлгөөний дүрслэх арга, онцлогийг тогтоох, тэдгээрийг тодорхойлох хэмжигдэхүүнүүдийг туршилтын явцад тодорхойлсон физик үзүүлэлтүүдтэй холбоход тусалдаг.
Химийн термодинамикийн судалгааны аргуудыг хоёр бүлэгт хуваадаг:
- Термодинамик. Эдгээр нь тодорхой бодисын шинж чанарыг харгалздаггүй бөгөөд бодисын атом ба молекулын бүтцийн талаархи ямар нэгэн загвар санаан дээр үндэслээгүй болно. Ийм аргуудыг ихэвчлэн феноменологи гэж нэрлэдэг, өөрөөр хэлбэл ажиглагдсан хэмжигдэхүүнүүдийн хоорондын хамаарлыг тогтоодог.
- Статистик. Эдгээр нь материйн бүтэц, квант эффект дээр суурилдаг бөгөөд атом болон тэдгээрийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн түвшинд явагдаж буй үйл явцын дүн шинжилгээнд үндэслэн системийн үйл ажиллагааг тодорхойлох боломжийг олгодог.
Эдгээр аргууд хоёулаа давуу болон сул талуудтай.
| Арга | Нэр төр | Алдаа |
| Термодинамик | Томоос болжерөнхий ойлголт нь маш энгийн бөгөөд нэмэлт мэдээлэл шаарддаггүй бөгөөд тодорхой асуудлыг шийдвэрлэхдээ | Процессын механизмыг харуулахгүй |
| Статистик | Үзэгдлийн мөн чанар, механизмыг ойлгоход тусалдаг, учир нь энэ нь атом, молекулуудын талаархи санаан дээр суурилдаг | Бэлтгэл, их хэмжээний мэдлэг шаарддаг |
Химийн термодинамикийн үндсэн ойлголтууд
Систем гэдэг нь гадаад орчноос тусгаарлагдсан аливаа материаллаг макроскопийн судалгааны объект бөгөөд хил хязгаар нь бодит болон төсөөлөл байж болно.
Системийн төрөл:
- хаалттай (хаалттай) - нийт массын тогтмол байдлаар тодорхойлогддог, хүрээлэн буй орчинтой бодисын солилцоо байхгүй, гэхдээ энерги солилцох боломжтой;
- нээлттэй - хүрээлэн буй орчинтой энерги болон бодисыг солилцдог;
- тусгаарлагдсан - тогтмол эзэлхүүнтэй байхад гадаад орчинтой энерги (дулаан, ажил) болон бодис солилцдоггүй;
- адиабатаар тусгаарлагдсан - зөвхөн хүрээлэн буй орчинтой дулаан солилцдоггүй, харин ажилтай холбоотой байж болно.
Дулааны, механик болон тархалтын контактуудын тухай ойлголтыг энерги ба бодисын солилцооны аргыг заахдаа ашигладаг.
Системийн төлөвийн параметрүүд нь системийн төлөвийн хэмжигдэх аливаа макро шинж чанар юм. Тэдгээр нь:
байж болно.
- эрчимтэй - массаас хамааралгүй (температур, даралт);
- өргөн (багтаамж) - бодисын масстай пропорциональ (эзэлхүүн,дулаан багтаамж, масс).
Эдгээр бүх параметрүүдийг физик, химигээс химийн термодинамикаас авсан боловч температураас хамаарч өөр өөр агуулгатай байдаг. Энэ утгын ачаар төрөл бүрийн шинж чанарууд хоорондоо холбоотой байдаг.
Тэнцвэр гэдэг нь системийн гадаад байнгын нөхцөлд орж, термодинамик үзүүлэлтүүдийн түр зуурын тогтмол байдал, түүнчлэн доторх материал, дулааны урсгал байхгүй байдгаараа тодорхойлогддог төлөв байдлыг хэлнэ. Энэ төлөвийн хувьд даралт, температур, химийн потенциалын тогтмол байдал нь системийн нийт эзлэхүүнд ажиглагдаж байна.
Тэнцвэрт ба тэнцвэргүй үйл явц
Химийн термодинамикийн үндсэн ойлголтуудын системд термодинамик процесс онцгой байр суурь эзэлдэг. Энэ нь нэг буюу хэд хэдэн термодинамик параметрийн өөрчлөлтөөр тодорхойлогддог системийн төлөвийн өөрчлөлт гэж тодорхойлогддог.
Системийн төлөвийг өөр өөр нөхцөлд өөрчлөх боломжтой. Үүнтэй холбогдуулан тэнцвэрт болон тэнцвэрт бус үйл явцын хооронд ялгаа бий. Тэнцвэрт (эсвэл бараг статик) процессыг системийн тэнцвэрт байдлын цуврал гэж үздэг. Энэ тохиолдолд түүний бүх параметрүүд хязгааргүй удаан өөрчлөгддөг. Ийм үйл явц явагдахын тулд хэд хэдэн нөхцөл хангагдсан байх ёстой:
- Үйлчлэх ба эсрэг хүчний (дотоод болон гадаад даралт гэх мэт) утгын хязгааргүй бага зөрүү.
- Процессын хязгааргүй удаан хурд.
- Хамгийн их ажил.
- Гадны хүчний хязгааргүй бага өөрчлөлт нь урсгалын чиглэлийг өөрчилдөгурвуу үйл явц.
- Шууд ба урвуу үйл явцын ажлын утга тэнцүү, зам нь ижил байна.
Системийн тэнцвэрт бус байдлыг тэнцвэрт байдалд шилжүүлэх үйл явцыг сулрал, үргэлжлэх хугацааг сулрах хугацаа гэнэ. Химийн термодинамикийн хувьд аливаа процессын амрах хугацааны хамгийн их утгыг ихэвчлэн авдаг. Энэ нь бодит системүүд системд гарч ирж буй энерги ба/эсвэл бодисын урсгалтай тэнцвэрийн төлөвөөс амархан гарч, тэнцвэргүй байдагтай холбоотой юм.
Эргэж болох ба эргэлт буцалтгүй үйл явц
Урвагдах термодинамик процесс нь системийн аль нэг төлөвөөс нөгөөд шилжих шилжилтийг хэлнэ. Энэ нь зөвхөн урагшаа биш харин эсрэг чиглэлд, цаашлаад ижил завсрын төлөвүүдээр дамжин урсах боломжтой бөгөөд хүрээлэн буй орчинд ямар ч өөрчлөлт гарахгүй.
Эргэх боломжгүй гэдэг нь хүрээлэн буй орчны өөрчлөлт дагалддаггүй, нэг төлөвөөс нөгөөд шилжих боломжгүй үйл явц юм.
Эргэшгүй үйл явц нь:
- хязгаарлагдмал температурын зөрүү дэх дулаан дамжуулалт;
- вакуум дахь хийн тэлэлт, учир нь энэ үед ямар ч ажил хийгдэхгүй бөгөөд үүнийг хийхгүйгээр хийг шахах боломжгүй;
- тархалт, учир нь зайлуулсны дараа хийнүүд бие биендээ амархан тархдаг тул ажил хийхгүйгээр урвуу үйл явц хийх боломжгүй.
Бусад төрлийн термодинамик процессууд
Тойрог процесс (мөчлөг) нь ийм үйл явц, үеэрЭнэ нь систем нь шинж чанараа өөрчилснөөр тодорхойлогддог бөгөөд эцэст нь анхны утга руугаа буцсан.
Химийн термодинамикийн үйл явцыг тодорхойлдог температур, эзэлхүүн, даралтын утгаас хамааран дараах төрлийн процессуудыг ялгадаг:
- Изотермаль (T=const).
- Изобарик (P=const).
- Изохор (V=const).
- Адиабат (Q=const).
Химийн термодинамикийн хуулиуд
Үндсэн постулатуудыг авч үзэхийн өмнө янз бүрийн системийн төлөв байдлыг тодорхойлдог хэмжигдэхүүнүүдийн мөн чанарыг санах хэрэгтэй.
Системийн дотоод энерги U гэж бөөмсийн хөдөлгөөн ба харилцан үйлчлэлийн энерги, өөрөөр хэлбэл кинетик энерги ба түүний байрлалын потенциал энергиэс бусад бүх төрлийн энергиэс бүрдэх энергийн нөөцийг ойлгодог.. Түүний өөрчлөлтийг тодорхойлох ∆U.
Энтальпи Н-ийг ихэвчлэн өргөтгөсөн системийн энерги, түүнчлэн дулааны агууламж гэж нэрлэдэг. H=U+pV.
Heat Q нь энерги дамжуулах эмх замбараагүй хэлбэр юм. Хэрэв дулааныг шингээж авбал (эндотермик процесс) системийн дотоод дулааныг эерэг гэж үзнэ (Q > 0). Хэрэв дулаан ялгарвал (экзотермик процесс) сөрөг байна (Q < 0).
Ажил нь эрчим хүчний дамжуулалтын дараалсан хэлбэр юм. Гадны хүчний эсрэг систем гүйцэтгэсэн бол эерэг (A>0), системд гадны хүчний нөлөөлөл үзүүлбэл сөрөг (A<0) гэж үзнэ.
Үндсэн постулат нь термодинамикийн анхны хууль юм. Олон бийтүүний томъёолол, тэдгээрийн дотроос дараахь зүйлийг ялгаж болно: "Энерги нь нэг төрлөөс нөгөөд шилжих нь яг тэнцүү хэмжээгээр явагддаг."
Хэрэв систем 1-р төлөвөөс 2-р төлөв рүү шилжиж, Q дулаан шингээлт дагалдаж, энэ нь эргээд дотоод энерги ∆U-г өөрчлөх, А ажлыг хийхэд зарцуулагддаг бол математикийн хувьд энэ постулат нь дараах байдалтай байна. тэгшитгэлээр бичсэн: Q=∆U +A эсвэл δQ=dU + δA.
Термодинамикийн хоёр дахь хууль нь эхнийхтэй адил онолын хувьд үүсээгүй, харин постулат статустай. Гэсэн хэдий ч түүний найдвартай байдал нь туршилтын ажиглалтад нийцсэн үр дагавараар нотлогддог. Физик химийн хувьд дараахь томъёолол илүү түгээмэл байдаг: "Тэнцвэрийн төлөвт ороогүй аливаа тусгаарлагдсан системийн хувьд энтропи нь цаг хугацааны явцад нэмэгдэж, систем тэнцвэрт байдалд орох хүртэл түүний өсөлт үргэлжилдэг."
Математикийн хувьд химийн термодинамикийн энэхүү постулат нь: dSisol≧0 хэлбэртэй байна. Энэ тохиолдолд тэгш бус байдлын тэмдэг нь тэнцвэргүй байдлыг, "=" тэмдэг нь тэнцвэрт байдлыг илэрхийлдэг.
