يبدأ النظر في بعض عناصر أساسيات الديناميكا الحرارية الكيميائية في المدرسة الثانوية. في دروس الكيمياء ، يصادف الطلاب لأول مرة مفاهيم مثل العمليات القابلة للعكس والتي لا رجعة فيها ، والتوازن الكيميائي ، والتأثير الحراري والعديد من المفاهيم الأخرى. من دورة الفيزياء المدرسية ، يتعرفون على الطاقة الداخلية ، والعمل ، والإمكانيات ، وحتى يتعرفون على القانون الأول للديناميكا الحرارية.
تعريف الديناميكا الحرارية
طلاب الجامعات والكليات في تخصصات الهندسة الكيميائية يدرسون الديناميكا الحرارية بالتفصيل في إطار الكيمياء الفيزيائية و / أو الغروية. هذا هو أحد الموضوعات الأساسية ، الذي يتيح لك فهمه إجراء الحسابات اللازمة لتطوير خطوط إنتاج تكنولوجية جديدة ومعدات لها ، وحل المشكلات في المخططات التكنولوجية الحالية.
تسمى الديناميكا الحرارية الكيميائية عادةً بأحد فروع الكيمياء الفيزيائية التي تدرس النظم الكيميائية الكبيرة والعمليات ذات الصلة بناءً على القوانين العامة المتعلقة بتحويل الحرارة والعمل والطاقة إلى بعضها البعض.
يعتمد على ثلاثة افتراضات ، والتي تسمى غالبًا مبادئ الديناميكا الحرارية. هم لا يملكونأساس رياضي ، ولكنها تستند إلى تعميم البيانات التجريبية التي جمعتها البشرية. تنبع عواقب عديدة من هذه القوانين التي تشكل أساس وصف العالم المحيط.
المهام
تشمل المهام الرئيسية للديناميكا الحرارية الكيميائية:
- دراسة شاملة وشرح لأهم الأنماط التي تحدد اتجاه العمليات الكيميائية وسرعتها والظروف التي تؤثر عليها (البيئة ، الشوائب ، الإشعاع ، إلخ) ؛
- حساب تأثير الطاقة لأي عملية كيميائية أو فيزيائية كيميائية ؛
- الكشف عن شروط أقصى إنتاجية لنواتج التفاعل ؛
- تحديد معايير حالة التوازن لأنظمة الديناميكا الحرارية المختلفة ؛
- وضع المعايير اللازمة للتدفق التلقائي لعملية فيزيائية وكيميائية معينة.
كائن وكائن
لا يهدف هذا القسم من العلم إلى شرح طبيعة أو آلية أي ظاهرة كيميائية. إنها مهتمة فقط بجانب الطاقة في العمليات الجارية. لذلك ، يمكن تسمية موضوع الديناميكا الحرارية الكيميائية بالطاقة وقوانين تحويل الطاقة في سياق التفاعلات الكيميائية ، وانحلال المواد أثناء التبخر والتبلور.
هذا العلم يجعل من الممكن الحكم على ما إذا كان رد الفعل هذا أو ذاك قادرًا على المضي قدمًا في ظل ظروف معينة على وجه التحديد من جانب الطاقة في المشكلة.
تسمى كائنات دراستها موازين الحرارة للعمليات الفيزيائية والكيميائية ، المرحلةالتحولات والتوازن الكيميائي. وفقط في الأنظمة العيانية ، أي تلك التي تتكون من عدد هائل من الجسيمات.
طرق
يستخدم قسم الديناميكا الحرارية في الكيمياء الفيزيائية طرق نظرية (حسابية) وعملية (تجريبية) لحل مشاكلها الرئيسية. تسمح لك المجموعة الأولى من الطرق بربط الخصائص المختلفة كميًا ، وحساب بعضها بناءً على القيم التجريبية للآخرين ، باستخدام مبادئ الديناميكا الحرارية. تساعد قوانين ميكانيكا الكم في تحديد طرق وصف وخصائص حركة الجسيمات ، لربط الكميات التي تميزها بالمعلمات الفيزيائية المحددة في سياق التجارب.
تنقسم طرق البحث في الديناميكا الحرارية الكيميائية إلى مجموعتين:
- الديناميكا الحرارية. لا تأخذ في الاعتبار طبيعة مواد معينة ولا تستند إلى أي أفكار نموذجية حول التركيب الذري والجزيئي للمواد. تسمى هذه الأساليب عادةً بالظواهر ، أي إقامة علاقات بين الكميات المرصودة.
- إحصائية. إنها تستند إلى بنية المادة والتأثيرات الكمية ، وتسمح بوصف سلوك الأنظمة بناءً على تحليل العمليات التي تحدث على مستوى الذرات والجسيمات المكونة لها.
لكل من هذه الأساليب مزاياها وعيوبها.
| الطريقة | كرامة | عيوب |
| الديناميكا الحرارية | بسبب كبيرالعمومية بسيطة للغاية ولا تتطلب معلومات إضافية أثناء حل مشاكل محددة | لا تكشف عن آلية العملية |
| إحصائية | يساعد على فهم جوهر وآلية الظاهرة ، حيث أنها تستند إلى أفكار حول الذرات والجزيئات | يتطلب إعدادًا دقيقًا وكمية كبيرة من المعرفة |
المفاهيم الأساسية للديناميكا الحرارية الكيميائية
النظام هو أي كائن مادي مجهري للدراسة ، معزول عن البيئة الخارجية ، ويمكن أن تكون الحدود حقيقية وخيالية.
أنواع الأنظمة:
- مغلق (مغلق) - يتميز بثبات الكتلة الكلية ، فلا يوجد تبادل للمادة مع البيئة ، ومع ذلك ، فإن تبادل الطاقة ممكن ؛
- open - تبادل الطاقة والمادة مع البيئة ؛
- معزول - لا يتبادل الطاقة (الحرارة ، العمل) أو المادة مع البيئة الخارجية ، بينما لها حجم ثابت ؛
- معزول ثابت الحرارة - لا يحتوي فقط على تبادل حراري مع البيئة ، ولكن يمكن أن يرتبط بالعمل.
تُستخدم مفاهيم التلامس الحراري والميكانيكي والانتشار للإشارة إلى طريقة تبادل الطاقة والمادة.
معلمات حالة النظام هي أي خصائص ماكروية قابلة للقياس لحالة النظام. يمكن أن تكون:
- شديد - مستقل عن الكتلة (درجة الحرارة ، الضغط) ؛
- واسع (بالسعة) - يتناسب مع كتلة المادة (الحجم ،السعة الحرارية ، الكتلة).
يتم استعارة كل هذه المعلمات بواسطة الديناميكا الحرارية الكيميائية من الفيزياء والكيمياء ، ولكنها تكتسب محتوى مختلفًا قليلاً ، حيث يتم اعتبارها اعتمادًا على درجة الحرارة. بفضل هذه القيمة ، تترابط الخصائص المختلفة.
التوازن هو حالة من نظام يأتي فيه في ظل ظروف خارجية ثابتة ويتميز بثبات مؤقت للمعلمات الديناميكية الحرارية ، فضلاً عن عدم وجود تدفقات المواد والحرارة فيه. في هذه الحالة ، يتم ملاحظة ثبات الضغط ودرجة الحرارة والجهد الكيميائي في الحجم الكامل للنظام.
عمليات التوازن وعدم التوازن
تحتل العملية الديناميكية الحرارية مكانة خاصة في نظام المفاهيم الأساسية للديناميكا الحرارية الكيميائية. يتم تعريفه على أنه تغييرات في حالة النظام ، والتي تتميز بتغييرات في واحد أو أكثر من المعلمات الديناميكية الحرارية.
التغييرات في حالة النظام ممكنة في ظل ظروف مختلفة. في هذا الصدد ، يتم التمييز بين عمليات التوازن وعدم التوازن. تعتبر عملية التوازن (أو شبه الساكنة) بمثابة سلسلة من حالات التوازن للنظام. في هذه الحالة ، تتغير جميع معلماتها ببطء شديد. لكي تتم مثل هذه العملية ، يجب استيفاء عدد من الشروط:
- اختلاف صغير بلا حدود في قيم القوى المؤثرة والمقاومة (الضغط الداخلي والخارجي ، إلخ).
- سرعة بطيئة بلا حدود للعملية
- أقصى عمل.
- التغيير اللامتناهي في القوة الخارجية يغير اتجاه التدفقعملية عكسية.
- قيم عمل العمليات المباشرة والعكسية متساوية ، ومساراتها هي نفسها.
تسمى عملية تغيير حالة عدم توازن النظام إلى حالة التوازن بالاسترخاء ، وتسمى مدتها بوقت الاسترخاء. في الديناميكا الحرارية الكيميائية ، غالبًا ما يتم أخذ أكبر قيمة لوقت الاسترخاء لأي عملية. هذا يرجع إلى حقيقة أن الأنظمة الحقيقية تترك بسهولة حالة التوازن مع التدفقات الناشئة للطاقة و / أو المادة في النظام وهي غير متوازنة.
عمليات قابلة للعكس ولا رجعة فيها
العملية الديناميكية الحرارية العكسية هي انتقال النظام من حالة إلى أخرى. يمكن أن يتدفق ليس فقط في الاتجاه الأمامي ، ولكن أيضًا في الاتجاه المعاكس ، علاوة على ذلك ، من خلال نفس الحالات الوسيطة ، بينما لن تكون هناك تغييرات في البيئة.
لا رجعة فيه هي عملية يكون فيها انتقال النظام من حالة إلى أخرى مستحيلاً ، وليس مصحوباً بتغييرات في البيئة.
العمليات التي لا رجوع عنها هي:
- نقل الحرارة عند اختلاف درجة حرارة محدودة ؛
- تمدد الغاز في الفراغ ، حيث لا يتم عمل أي عمل فيه ، ولا يمكن ضغط الغاز دون فعل ذلك ؛
- الانتشار ، لأنه بعد الإزالة سوف تنتشر الغازات بشكل متبادل بسهولة ، والعملية العكسية مستحيلة دون القيام بأي عمل.
أنواع أخرى من العمليات الديناميكية الحرارية
العملية الدائرية (الدورة) هي مثل هذه العملية ، أثناءالذي تميز النظام بتغيير في خواصه وفي نهايته عاد إلى قيمه الأصلية.
اعتمادًا على قيم درجة الحرارة والحجم والضغط التي تميز العملية ، يتم تمييز الأنواع التالية من العمليات في الديناميكا الحرارية الكيميائية:
- متساوي الحرارة (T=const).
- متساوي الضغط (P=const).
- Isochoric (V=const).
- Adiabatic (Q=const).
قوانين الديناميكا الحرارية الكيميائية
قبل التفكير في الافتراضات الرئيسية ، من الضروري تذكر جوهر الكميات التي تميز حالة الأنظمة المختلفة.
تُفهم الطاقة الداخلية U لنظام ما على أنها مخزون طاقته ، والتي تتكون من طاقات الحركة وتفاعل الجسيمات ، أي جميع أنواع الطاقة باستثناء الطاقة الحركية وطاقتها الكامنة للموقع. تحديد تغييره ∆U.
غالبًا ما يُطلق على المحتوى الحراري H طاقة النظام الموسع ، بالإضافة إلى محتواه الحراري. H=U + pV.
الحرارة Q هو شكل غير منظم لنقل الطاقة. تعتبر الحرارة الداخلية للنظام موجبة (س > 0) إذا تم امتصاص الحرارة (عملية ماصة للحرارة). سلبي (س < 0) إذا انبعثت حرارة (عملية طاردة للحرارة)
العمل أ هو شكل مرتب لنقل الطاقة. يعتبر موجب (A>0) إذا تم تنفيذه بواسطة النظام ضد قوى خارجية ، وسالب (A<0) إذا تم تنفيذه بواسطة قوى خارجية على النظام.
الافتراض الأساسي هو القانون الأول للديناميكا الحرارية. هنالك الكثيرصياغاته ، والتي يمكن من بينها التمييز بين ما يلي: "يحدث انتقال الطاقة من نوع إلى آخر بكميات متكافئة تمامًا."
إذا قام النظام بإجراء انتقال من الحالة 1 إلى الحالة 2 ، مصحوبًا بامتصاص الحرارة Q ، والتي بدورها تنفق على تغيير الطاقة الداخلية ∆U والقيام بالعمل A ، فإن هذا الافتراض رياضيًا هو تكتبها المعادلات: Q=∆U + A أو Q=dU + A.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، مثل القانون الأول ، لا يُشتق نظريًا ، ولكنه يتمتع بوضع افتراض. ومع ذلك ، يتم تأكيد موثوقيتها من خلال عواقب المقابلة للملاحظات التجريبية. في الكيمياء الفيزيائية ، الصيغة التالية أكثر شيوعًا: "لأي نظام منعزل ليس في حالة توازن ، يزيد الانتروبيا بمرور الوقت ، ويستمر نموه حتى يدخل النظام في حالة توازن."
رياضيا ، هذه الفرضية للديناميكا الحرارية الكيميائية لها الشكل: dSالعزلة≧ 0. تشير علامة عدم المساواة في هذه الحالة إلى حالة عدم التوازن ، وعلامة "=" تشير إلى التوازن.
