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:
- ความแตกต่างเล็กน้อยอย่างไม่สิ้นสุดในค่าของแรงกระทำและแรงต้าน (แรงกดดันภายในและภายนอก ฯลฯ)
- ความเร็วของกระบวนการที่ช้าไม่สิ้นสุด
- งานสูงสุด
- แรงภายนอกเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเปลี่ยนทิศทางของกระแสน้ำย้อนกลับกระบวนการ
- 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: dSisol≧0 เครื่องหมายอสมการในกรณีนี้แสดงถึงสภาวะที่ไม่สมดุล และเครื่องหมาย "=" หมายถึงสภาวะสมดุล
