Химиялык термодинамиканын негиздеринин кээ бир элементтери орто мектепте карала баштайт. Химия сабагында студенттер биринчи жолу кайтуучу жана кайтарылгыс процесстер, химиялык тең салмактуулук, жылуулук эффекти жана башка көптөгөн түшүнүктөргө туш болушат. Мектептин физика курсунан алар ички энергияны, жумушту, потенциалды үйрөнүшөт, жада калса термодинамиканын биринчи мыйзамы менен таанышышат.
Термодинамиканын аныктамасы
Химиялык инженерия адистиктеринин ЖОЖдорунун жана техникумдарынын студенттери физикалык жана/же коллоиддик химиянын алкагында термодинамиканы толук изилдешет. Бул фундаменталдуу предметтердин бири, аны түшүнүү жаңы технологиялык өндүрүш линияларын жана алар үчүн жабдууларды иштеп чыгуу үчүн зарыл болгон эсептөөлөрдү жүргүзүүгө, колдонуудагы технологиялык схемалардагы маселелерди чечүүгө мүмкүндүк берет.
Химиялык термодинамика адатта физикалык химиянын жылуулуктун, жумуштун жана энергиянын бири-бирине айланышы жөнүндөгү жалпы мыйзамдардын негизинде химиялык макросистемаларды жана ага байланыштуу процесстерди изилдөөчү тармактарынын бири деп аталат.
Ал көбүнчө термодинамиканын принциптери деп аталган үч постулаттын негизинде түзүлөт. Аларда жокматематикалык негизде, бирок адамзат тарабынан топтолгон эксперименталдык маалыматтарды жалпылоого негизделген. Курчап турган дүйнөнү сүрөттөөнүн негизин түзгөн бул мыйзамдардан көптөгөн натыйжалар келип чыгат.
Тапшырмалар
Химиялык термодинамиканын негизги милдеттерине төмөнкүлөр кирет:
- кылдат изилдөө, ошондой эле химиялык процесстердин багытын, алардын ылдамдыгын, аларга таасир этүүчү шарттарды (чөйрө, аралашмалар, радиация ж.б.) аныктоочу эң маанилүү мыйзам ченемдүүлүктөрдү түшүндүрүү;
- кандайдыр бир химиялык же физикалык-химиялык процесстин энергетикалык эффектисин эсептөө;
- реакция продуктыларынын максималдуу түшүмү үчүн шарттарды аныктоо;
- ар кандай термодинамикалык системалардын тең салмактуулук абалынын критерийлерин аныктоо;
- белгилүү бир физикалык жана химиялык процесстин стихиялуу агымы үчүн зарыл критерийлерди түзүү.
Объект жана объект
Илимдин бул бөлүмү кандайдыр бир химиялык кубулуштун табиятын же механизмин түшүндүрүүнү максат кылбайт. Ал жүрүп жаткан процесстердин энергетикалык жагын гана кызыктырат. Демек, химиялык термодинамиканын предмети энергия жана химиялык реакциялардын жүрүшүндөгү энергиянын айлануу закондору, буулануу жана кристаллдашуу учурундагы заттардын эрүү процесстери деп атоого болот.
Бул илим тигил же бул реакциянын белгилүү бир шарттарда жүрүүгө жөндөмдүү экендигин маселенин энергетикалык жагынан так аныктоого мүмкүндүк берет.
Анын изилдөө объекттери физикалык жана химиялык процесстердин жылуулук баланстары, фазалары деп аталатөтүү жана химиялык тең салмактуулук. Жана макроскопиялык системаларда, б.а. көп сандагы бөлүкчөлөрдөн турган системаларда гана.
Методдор
Физикалык химиянын термодинамикалык бөлүмү өзүнүн негизги маселелерин чечүү үчүн теориялык (эсептөө) жана практикалык (эксперименталдык) методдорду колдонот. Методдордун биринчи тобу ар кандай касиеттерди сандык жактан байланыштырууга жана термодинамикалык принциптерди колдонуу менен башкалардын эксперименталдык баалуулуктарынын негизинде алардын айрымдарын эсептөөгө мүмкүндүк берет. Кванттык механиканын мыйзамдары бөлүкчөлөрдүн кыймылынын мүнөздөмөлөрүн жана өзгөчөлүктөрүн аныктоого, аларды мүнөздөгөн чоңдуктарды эксперименттердин жүрүшүндө аныкталган физикалык параметрлер менен байланыштырууга жардам берет.
Химиялык термодинамиканын изилдөө ыкмалары эки топко бөлүнөт:
- Термодинамикалык. Алар конкреттүү заттардын табиятын эске алышпайт жана заттардын атомдук жана молекулярдык түзүлүшү жөнүндө эч кандай моделдик идеяларга негизделбейт. Мындай ыкмалар адатта феноменологиялык деп аталат, башкача айтканда, байкалган чоңдуктардын ортосундагы байланыштарды орнотуу.
- Статистикалык. Алар заттын түзүлүшүнө жана кванттык эффекттерге негизделет, атомдордун жана аларды түзүүчү бөлүкчөлөрдүн деңгээлинде болуп жаткан процесстердин анализинин негизинде системалардын жүрүм-турумун сүрөттөөгө мүмкүндүк берет.
Бул эки ыкманын тең артыкчылыктары жана кемчиликтери бар.
| Метод | Кадыр | Кемчиликтер |
| Термодинамикалык |
Чоң болгондуктанжалпылык абдан жөнөкөй жана конкреттүү маселелерди чечүүдө кошумча маалыматты талап кылбайт |
Процесс механизмин ачпайт |
| Статистикалык | Кубулуштун маңызын жана механизмин түшүнүүгө жардам берет, анткени ал атомдор жана молекулалар жөнүндөгү идеяларга негизделген | Кылдат даярдыкты жана чоң билимди талап кылат |
Химиялык термодинамиканын негизги түшүнүктөрү
Система – бул тышкы чөйрөдөн обочолонгон ар кандай материалдык макроскопиялык изилдөө объектиси жана чек реалдуу да, элестүү да болушу мүмкүн.
Тутумдардын түрлөрү:
- жабык (жабык) - жалпы массанын туруктуулугу менен мүнөздөлөт, айлана-чөйрө менен зат алмашуу болбойт, бирок энергия алмашуу мүмкүн;
- open - айлана-чөйрө менен энергияны да, затты да алмаштырат;
- обочолонгон - тышкы чөйрө менен энергия (жылуулук, жумуш) же зат алмашпайт, ал эми ал туруктуу көлөмгө ээ;
- адиабаттык изоляцияланган - айлана-чөйрө менен жылуулук алмашуу гана эмес, жумуш менен байланыштуу болушу мүмкүн.
Жылуулук, механикалык жана диффузиялык контакттар түшүнүктөрү энергия жана зат алмашуу ыкмасын көрсөтүү үчүн колдонулат.
Системанын абалынын параметрлери – бул системанын абалынын өлчөнгөн бардык макросүрөттөрү. Алар төмөнкүлөр болушу мүмкүн:
- интенсивдүү - массага көз каранды эмес (температура, басым);
- эктенсивдүү (сийимдүүлүк) - заттын массасына пропорционалдуу (көлөмү,жылуулук сыйымдуулугу, массасы).
Бул параметрлердин баары физикадан жана химиядан химиялык термодинамика тарабынан алынган, бирок алар температурага жараша каралып жаткандыктан, бир аз башкача мазмунга ээ. Дал ушул баалуулуктун аркасында ар кандай касиеттер өз ара байланышта.
Тең салмактуулук – бул системанын туруктуу тышкы шарттарда турган жана термодинамикалык параметрлеринин убактылуу туруктуулугу, ошондой эле андагы материалдык жана жылуулук агымдарынын жоктугу менен мүнөздөлгөн абалы. Бул абал үчүн системанын бардык көлөмүндө басымдын, температуранын жана химиялык потенциалдын туруктуулугу байкалат.
Тең салмактуулук жана тең салмактуу эмес процесстер
Химиялык термодинамиканын негизги түшүнүктөрүнүн системасында термодинамикалык процесс өзгөчө орунду ээлейт. Ал бир же бир нече термодинамикалык параметрлердин өзгөрүшү менен мүнөздөлгөн системанын абалынын өзгөрүшү катары аныкталат.
Тутумдун абалын өзгөртүү ар кандай шарттарда мүмкүн. Ушуга байланыштуу тең салмактуу жана тең салмактуу эмес процесстер айырмаланат. Тең салмактуу (же квази-статикалык) процесс системанын тең салмактуулук абалынын бир катар катары каралат. Бул учурда, анын бардык параметрлери чексиз жай өзгөрөт. Мындай процесс болушу үчүн бир катар шарттар аткарылышы керек:
- Арекет кылуучу жана карама-каршы күчтөрдүн маанилериндеги чексиз кичинекей айырма (ички жана тышкы басым ж.б.).
- Процесстин чексиз жай ылдамдыгы.
- Эң көп жумуш.
- Тышкы күчтүн чексиз аз өзгөрүшү агымдын багытын өзгөртөттескери процесс.
- Түз жана тескери процесстердин ишинин маанилери бирдей жана алардын жолдору бирдей.
Системанын тең салмактуу эмес абалынын тең салмактуулукка өтүү процесси релаксация, ал эми анын узактыгы релаксация убактысы деп аталат. Химиялык термодинамикада ар кандай процесс үчүн релаксация убактысынын эң чоң мааниси көбүнчө алынат. Бул реалдуу системалардын системада пайда болуп жаткан энергия жана/же зат агымдары менен тең салмактуулук абалынан оңой чыгып кетиши жана тең салмактуу эмес экендиги менен шартталган.
Кайрылуу жана кайтарылгыс процесстер
Термодинамикалык процесс – бул системанын бир абалынан экинчи абалына өтүүсү. Ал алдыга гана эмес, карама-каршы багытта да агышы мүмкүн, анын үстүнө ошол эле аралык абалдар аркылуу чөйрөдө эч кандай өзгөрүүлөр болбойт.
Кайтарылгыс – бул системанын бир абалдан экинчи абалга өтүшү мүмкүн эмес, айлана-чөйрөдөгү өзгөрүүлөр менен коштолбогон процесс.
Кайтарылгыс процесстер:
- чектүү температура айырмасында жылуулук өткөрүмдүүлүк;
- газдын вакуумда кеңейиши, анткени анын учурунда эч кандай жумуш жасалбайт жана аны жасабай туруп газды кысуу мүмкүн эмес;
- диффузия, анткени алынгандан кийин газдар бири-бирине оңой диффузияланат жана жумуш жасабай туруп тескери процесс мүмкүн эмес.
Термодинамикалык процесстердин башка түрлөрү
Тегерек процесс (цикл) ушундай процесс, учурундабул система өзүнүн касиеттеринин өзгөрүшү менен мүнөздөлгөн жана акырында анын баштапкы маанилерине кайтып келген.
Процессти мүнөздөгөн температуранын, көлөмдүн жана басымдын чоңдуктарына жараша химиялык термодинамикада процесстин төмөнкү түрлөрү бөлүнөт:
- Изотермиялык (T=const).
- Изобарикалык (P=const).
- Изохорикалык (V=const).
- Адиабаттык (Q=const).
Химиялык термодинамика мыйзамдары
Негизги постулаттарды кароодон мурун ар кандай системалардын абалын мүнөздөгөн чоңдуктардын маңызын эстеп калуу зарыл.
Системанын ички энергиясы U деп анын энергиясынын запасы түшүнүлөт, ал бөлүкчөлөрдүн кыймылынын жана өз ара аракетинин энергияларынан, башкача айтканда, кинетикалык энергиядан жана анын потенциалдык абалынан башка энергиянын бардык түрлөрүнөн турат.. Анын өзгөрүшүн аныктоо ∆U.
Энтальпия H көбүнчө кеңейтилген системанын энергиясы, ошондой эле анын жылуулук мазмуну деп аталат. H=U+pV.
Жылуулук Q – энергияны өткөрүүнүн тартипсиз түрү. Эгерде жылуулук жутулса (эндотермиялык процесс) системанын ички жылуулугу оң деп эсептелет (Q > 0). Ал терс (Q < 0) жылуулук бөлүнүп чыкса (экзотермикалык процесс).
Жумуш А – энергияны берүүнүн иреттелген түрү. Ал система тышкы күчтөргө каршы аткарылса оң (A>0), ал эми системадагы тышкы күчтөр тарабынан аткарылса терс (A<0) деп эсептелет.
Негизги постулат термодинамиканын биринчи мыйзамы. көп баранын формулалары, алардын ичинен төмөнкүлөрдү бөлүп көрсөтүүгө болот: "Энергиянын бир түрдөн экинчи түргө өтүшү так эквиваленттүү өлчөмдө болот."
Эгер система Q жылуулукту жутуу менен коштолгон 1 абалынан 2 абалына өтсө, ал өз кезегинде ички энергияны ∆U өзгөртүүгө жана А ишин аткарууга жумшалса, анда математикалык жактан бул постулат теңдемелери менен жазылган: Q=∆U +A же δQ=dU + δA.
Термодинамиканын экинчи мыйзамы, биринчиси сыяктуу, теориялык жактан алынган эмес, бирок постулат статусуна ээ. Бирок, анын ишенимдүүлүгү эксперименталдык байкоолорго ылайык келген натыйжалары менен тастыкталат. Физикалык химияда төмөнкү формула кеңири таралган: "Тең салмактуулук абалында болбогон ар кандай изоляцияланган система үчүн энтропия убакыттын өтүшү менен көбөйөт жана анын өсүшү система тең салмактуулук абалына киргенге чейин уланат."
Математикалык жактан химиялык термодинамиканын бул постулаты төмөнкүдөй формага ээ: dSisol≧0. Бул учурда теңсиздик белгиси тең салмактуу эмес абалды, ал эми "=" белгиси тең салмактуулукту көрсөтөт.
