Химическая термодинамика является наукой, описывающая взаимосвязь направления и пределов превращений веществ с условиями их пребывания.
Рисунок 1. Химическая термодинамика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Термин в 1851 г. был озвучен английским ученым У. Томсоном. Первые предпосылки к возникновению термодинамики были заложены учеными в период 1760-1762 гг., когда шотландским физиком Дж. Блэком было введено понятие различия между температурой и количеством тепла. Так появилась теплоемкость (при опытах с измерением теплоты плавления льда).
Элементы химической термодинамики
В отличие от остальных разделов физической химии, таких как химическая кинетика и строение вещества, химическая термодинамика может применяться без специальных знаний о молекулярном строении вещества, что требует значительно меньшего количества исходных данных.
Конкретный объект термодинамического исследования называется термодинамической системой (просто системой), выделенной действительно существующими или воображаемыми поверхностями из окружающего мира. Системой при этом может считаться газ внутри сосуда, кристалл вещества, раствор реагентов в колбе или мысленно выделенная часть данных объектов.
На основании уровней взаимодействия с окружающей средой, термодинамические системы будут делиться на:
- открытые - происходит обмен с окружающей средой между энергией и веществом, к примеру, живые объекты;
- закрытые - обмен будет осуществляться в этом случае исключительно энергетического характера, к примеру, можно наблюдать реакцию в закрытой колбе либо колбе с обратным холодильником (наиболее распространенная система химической термодинамики);
- изолированные - исключают обменные процессы как вещественного, так и энергетического характера, при этом сохраняется постоянный объем (приближение – реакция в термостате).
С целью термодинамического описания системы, потребуется ее состав из огромного количества специальных частиц (для соответствия законам статистики). Свойства системы при этом подразделяются на: экстенсивные (суммирующиеся: общий объем, масса), интенсивные (выравнивающиеся: концентрация, температура, давление и пр.)
Комплекс свойств системы определяет в дальнейшем ее состояние. Так, многие свойства будут взаимосвязанными, по этой причине, для гомогенной однокомпонентной системы (при известном количестве вещества) достаточно выбрать с целью характеристики состояния два из трех.
Процессы химической термодинамики
Рисунок 2. Процессы химической термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Процесс в термодинамике представляет собой не развивающееся во времени событие, а последовательность равновесных состояний системы, которые ведут от начального набора термодинамических переменных к конечному. Термодинамика позволяет полностью решить поставленную задачу (при условии описания изучаемого процесса посредством совокупности равновесных стадий).
Равновесным состоянием будет считаться неизменное во времени термодинамическое состояние системы, которое не обусловлено при этом протеканием какого-нибудь внешнего процесса. В случае устойчивого равновесия, любые смежные с ним состояния окажутся менее устойчивыми, а переход к ним из равновесно-устойчивого состояния всегда будет взаимосвязан с необходимостью затрат работы извне.
Общими условиями осуществления равновесных процессов являются следующие:
- бесконечно малая разность сил действия и противодействия;
- выполнение в прямом процессе максимальной работы;
- бесконечно медленное протекание процесса, взаимосвязанное с бесконечно малой разностью между действующими силами и бесконечно большим числом промежуточных состояний;
- одинаковость абсолютных значений работ прямого и обратного процессов;
- изменение внешней силы на бесконечно малую величину провоцирует изменение направления процесса на обратный;
- совпадение путей прямого и обратного процессов.
В расчетах используются численные (табличные) показатели термодинамических свойств веществ. Даже незначительные наборы таких данных позволяют осуществить расчеты множества разных процессов. При расчете равновесного состава не требуется запись уравнения вероятных химических реакций, будет достаточно учесть все вещества, способные составлять равновесную смесь в принципе.
Законы химической термодинамики
Рисунок 3. Третий закон термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Большинство курсов химической термодинамики рассматривает три основных закона. Они сформулированы следующим образом:
- Первый закон термодинамики: энергия не уничтожается и не создается. Исключается возможность вечного двигателя первого рода. В любой изолированной системе суммарное количество энергии будет постоянным показателем.
- Второй закон термодинамики: вполне очевидным будет тот факт, что реакции с общим уменьшением энтальпии (экзотермические реакции) могут происходить самопроизвольно, подобно скатывающемуся с горы камню. С целью характеристики эндотермических процессов и выявления условий их самопроизвольного происхождения, ученые ввели новую функцию состояния – энтропию (греческое происхождение, означающее буквально «внутрь» и «поворот»). Энтропия выступает в качестве тепловой координаты состояния, введенной с целью стандартизации математического аппарата в термодинамике.
- Третий закон термодинамики, названный “постулатом Планка”, был сформулирован М.Планком в 1911 г. и заключался в следующем: энтропия сформированного правильным образом кристалла чистого вещества (при абсолютном нуле) достигает нулевого значения. Этот постулат можно объяснить с точки зрения статистической термодинамики, согласно которой, энтропия представляет собой меру беспорядочности системы на микроскопическом уровне.
Всегда существует возможность применения законов классической термодинамики в отношении живых объектов. Открытые живые системы на определенных временных промежутках могут рассматриваться в качестве квазизакрытых, относительно процессов, для которых оперативным образом устанавливаются локальные равновесия.
Структуры высшей иерархии формируют для более низших структур термостат, в рамках которого сами процессы будут считаться квазиравновесными. Введение энтропии представило возможность установления специальных критериев, позволяющих определить направление и глубину любого протекающего химического процесса (для большого количества частиц в равновесии).
