อุณหพลศาสตร์เคมี: แนวคิดพื้นฐาน กฎหมาย งาน

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

องค์ประกอบพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์เคมีเริ่มพิจารณาในโรงเรียนมัธยมศึกษาตอนปลาย ในบทเรียนวิชาเคมี เป็นครั้งแรกที่นักเรียนจะได้พบกับแนวคิดต่างๆ เช่น กระบวนการที่ย้อนกลับและย้อนกลับไม่ได้ สมดุลเคมี ผลกระทบจากความร้อน และอื่นๆ อีกมากมาย จากหลักสูตรฟิสิกส์ของโรงเรียน พวกเขาจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับพลังงานภายใน งาน ศักยภาพ และแม้กระทั่งทำความคุ้นเคยกับกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

นิยามของอุณหพลศาสตร์

นักศึกษามหาวิทยาลัยและวิทยาลัยสาขาวิศวกรรมเคมีพิเศษจะศึกษาอุณหพลศาสตร์อย่างละเอียดภายในกรอบของเคมีกายภาพและ/หรือเคมีคอลลอยด์ นี่เป็นหนึ่งในวิชาพื้นฐาน ความเข้าใจซึ่งช่วยให้คุณสามารถทำการคำนวณที่จำเป็นสำหรับการพัฒนาสายการผลิตเทคโนโลยีใหม่และอุปกรณ์สำหรับพวกเขา แก้ปัญหาในรูปแบบเทคโนโลยีที่มีอยู่

อุณหพลศาสตร์เคมีมักถูกเรียกว่าเป็นสาขาหนึ่งของเคมีฟิสิกส์ที่ศึกษาระบบมาโครเคมีและกระบวนการที่เกี่ยวข้องตามกฎทั่วไปเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความร้อน งาน และพลังงานให้กลายเป็นกันและกัน

มันขึ้นอยู่กับสัจพจน์สามประการซึ่งมักเรียกว่าหลักการทางอุณหพลศาสตร์ พวกเขาไม่มีพื้นฐานทางคณิตศาสตร์ แต่อาศัยการสรุปข้อมูลการทดลองที่มนุษย์ได้สะสมไว้ ผลที่ตามมามากมายมาจากกฎหมายเหล่านี้ ซึ่งเป็นพื้นฐานของคำอธิบายของโลกรอบข้าง

งาน

งานหลักของอุณหพลศาสตร์เคมี ได้แก่:

• การศึกษาอย่างละเอียด เช่นเดียวกับคำอธิบายของรูปแบบที่สำคัญที่สุดที่กำหนดทิศทางของกระบวนการทางเคมี ความเร็วของกระบวนการ เงื่อนไขที่ส่งผลกระทบต่อพวกเขา (สิ่งแวดล้อม สิ่งเจือปน การแผ่รังสี ฯลฯ);
• การคำนวณผลกระทบด้านพลังงานของกระบวนการทางเคมีหรือฟิสิกส์เคมีใดๆ
• การตรวจจับเงื่อนไขสำหรับผลผลิตปฏิกิริยาสูงสุด
• การกำหนดเกณฑ์สภาวะสมดุลของระบบอุณหพลศาสตร์ต่างๆ
• กำหนดเกณฑ์ที่จำเป็นสำหรับการไหลตามธรรมชาติของกระบวนการทางกายภาพและทางเคมีโดยเฉพาะ

สิ่งของและสิ่งของ

วิทยาศาสตร์ส่วนนี้ไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่ออธิบายลักษณะหรือกลไกของปรากฏการณ์ทางเคมีใดๆ เธอสนใจแต่ด้านพลังงานของกระบวนการที่กำลังดำเนินอยู่เท่านั้น ดังนั้นหัวข้อของอุณหพลศาสตร์เคมีจึงสามารถเรียกได้ว่าเป็นพลังงานและกฎของการแปลงพลังงานในปฏิกิริยาเคมี การละลายของสารในระหว่างการระเหยและการตกผลึก

วิทยาศาสตร์นี้ทำให้สามารถตัดสินได้ว่าปฏิกิริยานี้หรือปฏิกิริยานั้นสามารถดำเนินการภายใต้เงื่อนไขบางประการได้อย่างแม่นยำจากด้านพลังงานของปัญหา

วัตถุของการศึกษานี้เรียกว่าสมดุลความร้อนของกระบวนการทางกายภาพและเคมี เฟสการเปลี่ยนแปลงและสมดุลเคมี และเฉพาะในระบบมหภาคเท่านั้น นั่นคือ อนุภาคที่ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก

วิธีการ

หมวดอุณหพลศาสตร์ของเคมีกายภาพใช้วิธีการเชิงทฤษฎี (การคำนวณ) และการปฏิบัติ (การทดลอง) เพื่อแก้ปัญหาหลัก วิธีการกลุ่มแรกช่วยให้คุณสามารถเชื่อมโยงคุณสมบัติที่แตกต่างกันในเชิงปริมาณและคำนวณบางส่วนตามค่าการทดลองของผู้อื่นโดยใช้หลักการทางอุณหพลศาสตร์ กฎของกลศาสตร์ควอนตัมช่วยในการกำหนดวิธีการอธิบายและคุณลักษณะของการเคลื่อนที่ของอนุภาค เพื่อเชื่อมโยงปริมาณที่กำหนดลักษณะพวกมันด้วยพารามิเตอร์ทางกายภาพที่กำหนดในระหว่างการทดลอง

วิธีวิจัยอุณหพลศาสตร์เคมีแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม:

• อุณหพลศาสตร์. พวกเขาไม่ได้คำนึงถึงธรรมชาติของสารเฉพาะและไม่ได้ขึ้นอยู่กับแนวคิดแบบจำลองใด ๆ เกี่ยวกับโครงสร้างอะตอมและโมเลกุลของสาร วิธีการดังกล่าวมักจะเรียกว่าปรากฏการณ์วิทยา นั่นคือ การสร้างความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณที่สังเกตได้
• สถิติ. โดยอิงตามโครงสร้างของสสารและเอฟเฟกต์ควอนตัม อนุญาตให้อธิบายพฤติกรรมของระบบโดยอิงจากการวิเคราะห์กระบวนการที่เกิดขึ้นในระดับอะตอมและอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบ

ทั้งสองวิธีมีข้อดีและข้อเสีย

วิธี	ศักดิ์ศรี	ข้อบกพร่อง
อุณหพลศาสตร์	เนื่องจากความใหญ่ลักษณะทั่วไปค่อนข้างง่ายและไม่ต้องการข้อมูลเพิ่มเติมในขณะที่แก้ปัญหาเฉพาะ	ไม่เปิดเผยกลไกกระบวนการ
สถิติ	ช่วยให้เข้าใจแก่นแท้และกลไกของปรากฏการณ์ เนื่องจากเป็นแนวคิดเกี่ยวกับอะตอมและโมเลกุล	ต้องเตรียมการอย่างละเอียดและมีความรู้มาก

แนวคิดพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์เคมี

ระบบเป็นวัตถุวัตถุในการศึกษาด้วยตาเปล่า แยกออกจากสภาพแวดล้อมภายนอก และขอบเขตอาจเป็นได้ทั้งของจริงและในจินตนาการ

ประเภทของระบบ:

• ปิด (ปิด) - โดดเด่นด้วยความคงตัวของมวลรวม ไม่มีการแลกเปลี่ยนสสารกับสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม การแลกเปลี่ยนพลังงานเป็นไปได้
• เปิด - แลกเปลี่ยนพลังงานและสสารกับสิ่งแวดล้อม
• โดดเดี่ยว - ไม่แลกเปลี่ยนพลังงาน (ความร้อน การทำงาน) หรือปัจจัยกับสภาพแวดล้อมภายนอก ในขณะที่มีปริมาตรคงที่
• อะเดียแบติกแยก - ไม่ได้มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อมเท่านั้น แต่สามารถเชื่อมโยงกับงานได้

แนวคิดของการสัมผัสทางความร้อน ทางกล และการแพร่กระจายใช้เพื่อระบุวิธีการแลกเปลี่ยนพลังงานและสสาร

พารามิเตอร์สถานะของระบบคือลักษณะมาโครที่วัดได้ของสถานะระบบ พวกเขาสามารถ:

• เข้มข้น - ไม่ขึ้นกับมวล (อุณหภูมิ, ความดัน);
• ขยาย (capacitive) - สัดส่วนกับมวลของสาร (ปริมาตรความจุความร้อน, มวล).

พารามิเตอร์ทั้งหมดเหล่านี้ยืมมาจากเทอร์โมไดนามิกส์เคมีจากฟิสิกส์และเคมี แต่ได้เนื้อหาที่แตกต่างกันเล็กน้อย เนื่องจากจะพิจารณาตามอุณหภูมิ ต้องขอบคุณค่านี้ที่ทำให้คุณสมบัติต่างๆ เชื่อมต่อถึงกัน

สมดุลคือสภาวะของระบบซึ่งอยู่ภายใต้สภาวะภายนอกที่คงที่และมีลักษณะเฉพาะโดยความคงตัวชั่วคราวของพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ตลอดจนไม่มีวัสดุและความร้อนไหลผ่าน สำหรับสถานะนี้ จะสังเกตความคงตัวของความดัน อุณหภูมิ และศักย์เคมีในปริมาตรทั้งหมดของระบบ

สมดุลและไม่สมดุล

กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ตรงบริเวณพิเศษในระบบแนวคิดพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์เคมี ถูกกำหนดให้เป็นการเปลี่ยนแปลงในสถานะของระบบ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะโดยการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป

การเปลี่ยนแปลงสถานะของระบบสามารถทำได้ภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน ในเรื่องนี้ มีการแยกความแตกต่างระหว่างกระบวนการสมดุลและกระบวนการที่ไม่สมดุล กระบวนการสมดุล (หรือกึ่งสถิต) ถือเป็นชุดของสภาวะสมดุลของระบบ ในกรณีนี้ พารามิเตอร์ทั้งหมดจะเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ อย่างไม่สิ้นสุด สำหรับกระบวนการดังกล่าวจะต้องเป็นไปตามเงื่อนไขหลายประการ:

1. ความแตกต่างเล็กน้อยอย่างไม่สิ้นสุดในค่าของแรงกระทำและแรงต้าน (แรงกดดันภายในและภายนอก ฯลฯ)
2. ความเร็วของกระบวนการที่ช้าไม่สิ้นสุด
3. งานสูงสุด
4. แรงภายนอกเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเปลี่ยนทิศทางของกระแสน้ำย้อนกลับกระบวนการ
5. งานของกระบวนการโดยตรงและย้อนกลับมีค่าเท่ากันและเส้นทางของพวกเขาเหมือนกัน

กระบวนการเปลี่ยนสถานะไม่สมดุลของระบบเป็นสมดุลเรียกว่าการผ่อนคลาย และระยะเวลาที่เรียกว่าเวลาผ่อนคลาย ในอุณหพลศาสตร์เคมี ค่าสูงสุดของเวลาพักผ่อนสำหรับกระบวนการใดๆ มักจะถูกนำมาใช้ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าระบบจริงออกจากสภาวะสมดุลได้อย่างง่ายดายด้วยการไหลของพลังงานและ/หรือสสารในระบบและไม่สมดุล

กระบวนการย้อนกลับและย้อนกลับไม่ได้

กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ที่ย้อนกลับได้คือการเปลี่ยนระบบจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง มันสามารถไหลได้ไม่เฉพาะในทิศทางไปข้างหน้าเท่านั้น แต่ยังไปในทิศทางตรงกันข้าม ยิ่งกว่านั้น ผ่านสถานะกลางเดียวกัน ในขณะที่สภาพแวดล้อมจะไม่เปลี่ยนแปลง

กลับไม่ได้เป็นกระบวนการที่การเปลี่ยนแปลงของระบบจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งเป็นไปไม่ได้ ไม่ได้มาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อม

กระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้คือ:

• การถ่ายเทความร้อนที่ความแตกต่างของอุณหภูมิจำกัด
• การขยายตัวของแก๊สในสุญญากาศ เนื่องจากในระหว่างนั้นไม่มีการทำงานใดๆ และเป็นไปไม่ได้ที่จะบีบอัดแก๊สโดยไม่ทำ
• การแพร่กระจาย เนื่องจากหลังจากการกำจัดก๊าซจะแพร่กระจายซึ่งกันและกันได้ง่าย และกระบวนการย้อนกลับจะไม่สามารถทำได้โดยไม่ต้องทำงาน

กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ประเภทอื่นๆ

กระบวนการแบบวงกลม (รอบ) เป็นกระบวนการดังกล่าว ในระหว่างซึ่งระบบมีลักษณะเฉพาะโดยการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติ และในตอนท้ายจะกลับสู่ค่าเดิม

ขึ้นอยู่กับค่าอุณหภูมิ ปริมาตร และความดันที่กำหนดลักษณะของกระบวนการ กระบวนการประเภทต่อไปนี้มีความโดดเด่นในอุณหพลศาสตร์เคมี:

• ไอโซเทอร์มอล (T=const).
• ไอโซบาริก (P=const).
• ไอโซโคริก (V=const).
• อะเดียแบติก (Q=const).

กฎของอุณหพลศาสตร์เคมี

ก่อนที่จะพิจารณาสมมติฐานหลัก จำเป็นต้องจำสาระสำคัญของปริมาณที่แสดงลักษณะสถานะของระบบต่างๆ

พลังงานภายใน U ของระบบเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นสต็อกของพลังงาน ซึ่งประกอบด้วยพลังงานของการเคลื่อนที่และปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค นั่นคือ พลังงานทุกประเภท ยกเว้นพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของตำแหน่ง. กำหนดการเปลี่ยนแปลง ∆U.

Enthalpy H มักถูกเรียกว่าพลังงานของระบบขยาย เช่นเดียวกับปริมาณความร้อน H=U+pV.

ความร้อน Q คือรูปแบบการถ่ายเทพลังงานที่ไม่เป็นระเบียบ ความร้อนภายในของระบบถือเป็นบวก (Q > 0) หากความร้อนถูกดูดซับ (กระบวนการดูดความร้อน) เป็นลบ (Q < 0) หากปล่อยความร้อน (กระบวนการคายความร้อน)

งาน A เป็นรูปแบบการถ่ายโอนพลังงานที่ได้รับคำสั่ง ถือว่าเป็นค่าบวก (A>0) หากระบบดำเนินการกับแรงภายนอก และถือเป็นค่าลบ (A<0) หากกระทำโดยแรงภายนอกในระบบ

หลักการพื้นฐานคือกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ มีมากมายสูตรของเขาซึ่งสามารถแยกแยะได้ดังต่อไปนี้: "การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจากประเภทหนึ่งไปสู่อีกประเภทหนึ่งเกิดขึ้นในปริมาณที่เท่ากันอย่างเคร่งครัด"

หากระบบทำการเปลี่ยนจากสถานะ 1 เป็นสถานะ 2 พร้อมกับการดูดซับความร้อน Q ซึ่งในทางกลับกัน จะถูกใช้ในการเปลี่ยนพลังงานภายใน ∆U และการทำงาน A สมมุติฐานทางคณิตศาสตร์ก็คือ เขียนโดยสมการ: Q=∆U +A or δQ=dU + δA.

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ก็เหมือนกับกฎข้อแรก ไม่ได้มาจากทฤษฎี แต่มีสถานะเป็นสมมุติฐาน อย่างไรก็ตาม ความน่าเชื่อถือของมันได้รับการยืนยันโดยผลที่ตามมาจากการสังเกตการทดลอง ในวิชาเคมีเชิงฟิสิกส์ มีสูตรต่อไปนี้ทั่วไปมากกว่า: "สำหรับระบบที่แยกเดี่ยวใดๆ ที่ไม่อยู่ในสภาวะสมดุล เอนโทรปีจะเพิ่มขึ้นตามเวลา และการเติบโตจะดำเนินต่อไปจนกว่าระบบจะเข้าสู่สภาวะสมดุล"

ในทางคณิตศาสตร์ สมมุติฐานของอุณหพลศาสตร์เคมีนี้มีรูปแบบ: dS_isol≧0 เครื่องหมายอสมการในกรณีนี้แสดงถึงสภาวะที่ไม่สมดุล และเครื่องหมาย "=" หมายถึงสภาวะสมดุล