Основы химической термодинамики
Общие сведения
Химическая термодинамика представляет собой фундаментальный раздел физической химии, изучающий закономерности взаимных превращений химической энергии в иные формы, такие как тепловая или электрическая энергия. Данная дисциплина предшествует химической кинетике и устанавливает строгие законы энергетических переходов, а также определяет направление протекания химических реакций при заданных внешних условиях. Основным объектом изучения выступает термодинамическая система, определяемая в химии как совокупность находящихся во взаимодействии веществ.
Состояние термодинамической системы описывается набором физико-химических параметров, к числу которых относятся температура, давление, плотность и концентрация. В теоретических построениях выделяют равновесное термодинамическое состояние, при котором указанные параметры абсолютно одинаковы во всех точках системы и не изменяются с течением времени. Несмотря на то, что идеальное равновесное состояние в природе недостижимо (поскольку существует температурный градиент и иные флуктуации даже в малом объеме вещества), оно используется как базовая абстракция. Химическая термодинамика изучает переходы системы из одного равновесного состояния в другое, анализируя изменения энергетических балансов, направленность процессов и конечные значения физических параметров.
Классификация
Термодинамические системы классифицируются по фазовому составу на гомогенные и гетерогенные. Фаза представляет собой часть системы, которая однородна во всех точках по своему составу и физическим свойствам, а также отделена от других частей системы видимой поверхностью раздела. Гомогенная система состоит исключительно из одной фазы. Характерным примером является прозрачный раствор сульфата меди в воде, где не наблюдается визуальных границ между компонентами. Гетерогенная система включает две и более фазы, например, мутный раствор с присутствующими кристаллами (сосуществование жидкой и твердой фаз) или система, состоящая из жидкой воды и плавающего в ней льда.
Химические процессы классифицируются в зависимости от постоянства тех или иных термодинамических параметров в ходе реакции. Выделяют изотермические процессы, протекающие при постоянной температуре; изобарические процессы, идущие при постоянном давлении; и изохорические процессы, осуществляемые при неизменном объеме. Отдельно рассматриваются адиабатические процессы, при которых полностью отсутствует обмен теплотой между системой и окружающей средой. В реальной лабораторной и промышленной практике большинство стандартных химических реакций, протекающих в открытых сосудах без принудительного нагревания, относятся к изобарно-изотермическим процессам.
Способы получения
Математическое и концептуальное описание энергетических изменений в химической термодинамике базируется на вычислении термодинамических функций. Фундаментальной величиной является внутренняя энергия системы, представляющая собой полную кинетическую и потенциальную энергию всех составляющих ее частиц (молекул, атомов, атомных ядер и электронов), включая энергии всех видов взаимодействия и движения внутри кристаллических решеток. Получение абсолютного значения внутренней энергии физически и математически невозможно, поэтому в термодинамике оперируют исключительно величиной изменения внутренней энергии.
Аналитическое выражение переходов энергии описывается Первым законом термодинамики. Согласно этому закону, теплота, подведенная к термодинамической системе, расходуется на два основных процесса: на совершение системой работы и на увеличение ее внутренней энергии. Для упрощения расчетов изобарных процессов, в которых совершается работа расширения (произведение внешнего давления на изменение объема), вводится функция энтальпии. Энтальпия математически равна сумме внутренней энергии и работы расширения. Таким образом, при постоянном давлении подведенная к системе теплота расходуется исключительно на приращение энтальпии, что позволяет использовать изменение энтальпии для расчетов энергетических эффектов химических реакций.
Свойства
Термодинамические параметры и функции обладают строгими специфическими свойствами, разделяясь на функции состояния и функции перехода. Внутренняя энергия, энтальпия, энтропия (мера разупорядоченности), энергия Гиббса и энергия Гельмгольца являются функциями состояния системы. Ключевое свойство данных функций заключается в том, что их изменение зависит исключительно от начального и конечного состояний системы, но абсолютно не зависит от пути и способа протекания процесса. Изменение этих величин считается положительным, если их значение в системе возрастает. Для проведения практических расчетов значения функций состояния нормируют, относя их к одному молю вещества.
Теплота и работа, в свою очередь, не являются функциями состояния, а выступают формами передачи энергии (функциями перехода). Теплота представляет собой меру передачи энергии за счет разности температур и реализуется через скорость хаотических столкновений молекул. Работа является мерой передачи энергии за счет макроскопического перемещения массы, например, при расширении газа против внешнего давления, электрического поля или гравитации. Обе величины измеряются в джоулях. Теплота считается положительной, если она поглощается системой, а работа признается положительной, если она совершается самой системой. Специфическим свойством изохорических процессов (протекающих в замкнутых объемах, например, в автоклавах) является равенство работы нулю, вследствие чего вся подведенная теплота целиком трансформируется в увеличение внутренней энергии системы.
Применение
Закономерности химической термодинамики находят широчайшее применение в фундаментальной химии и промышленной инженерии. Основная практическая задача данной науки заключается в теоретическом прогнозировании того, в каком направлении будет самопроизвольно протекать химическая реакция без дополнительных энергетических затрат извне.
Термодинамические расчеты позволяют с высокой точностью определять значения температуры, давления и концентрации реагентов, при которых достигается максимальный выход продуктов реакции. Анализ изменения энтальпии и других функций состояния предоставляет исследователям и технологам возможность вычислять энергетические балансы химических производств, оптимизировать режимы работы реакторов, а также предсказывать стабильность химических соединений и фазовых состояний в различных внешних условиях. Использование абстрактных термодинамических моделей, описывающих идеализированные равновесные состояния, позволяет эффективно решать реальные прикладные задачи материаловедения и химической технологии.
См. также
Периодическая система элементов Получение и свойства гальванопокрытий