Certains éléments des principes fondamentaux de la thermodynamique chimique commencent à être pris en compte au lycée. Dans les cours de chimie, les étudiants rencontrent pour la première fois des concepts tels que les processus réversibles et irréversibles, l'équilibre chimique, l'effet thermique et bien d'autres. Dès le cours de physique de l'école, ils apprennent l'énergie interne, le travail, les potentiels et se familiarisent même avec la première loi de la thermodynamique.
Définition de la thermodynamique
Les étudiants des universités et des collèges de spécialités en génie chimique étudient la thermodynamique en détail dans le cadre de la chimie physique et/ou colloïdale. C'est l'un des sujets fondamentaux, dont la compréhension vous permet d'effectuer les calculs nécessaires au développement de nouvelles lignes de production technologiques et de leurs équipements, en résolvant les problèmes des schémas technologiques existants.
La thermodynamique chimique est généralement appelée l'une des branches de la chimie physique qui étudie les macrosystèmes chimiques et les processus associés sur la base des lois générales sur la transformation de la chaleur, du travail et de l'énergie les uns dans les autres.
Il est basé sur trois postulats, souvent appelés les principes de la thermodynamique. Ils n'ont pasbase mathématique, mais sont basés sur la généralisation des données expérimentales qui ont été accumulées par l'humanité. De nombreuses conséquences découlent de ces lois, qui sont à la base de la description du monde environnant.
Tâches
Les tâches principales de la thermodynamique chimique incluent:
- une étude approfondie, ainsi qu'une explication des schémas les plus importants qui déterminent la direction des processus chimiques, leur vitesse, les conditions qui les affectent (environnement, impuretés, rayonnement, etc.);
- calcul de l'effet énergétique de tout processus chimique ou physico-chimique;
- détection des conditions pour le rendement maximal des produits de réaction;
- détermination de critères pour l'état d'équilibre de divers systèmes thermodynamiques;
- établir les critères nécessaires au déroulement spontané d'un processus physique et chimique particulier.
Objet et objet
Cette partie de la science ne vise pas à expliquer la nature ou le mécanisme d'un phénomène chimique. Elle ne s'intéresse qu'au côté énergétique des processus en cours. Par conséquent, le sujet de la thermodynamique chimique peut être appelé énergie et les lois de la conversion de l'énergie au cours des réactions chimiques, la dissolution des substances lors de l'évaporation et de la cristallisation.
Cette science permet de juger si telle ou telle réaction est capable de se dérouler dans certaines conditions précisément du côté énergétique de la question.
Les objets de son étude sont appelés bilans thermiques des processus physiques et chimiques, phasetransitions et équilibres chimiques. Et seulement dans les systèmes macroscopiques, c'est-à-dire ceux qui se composent d'un grand nombre de particules.
Méthodes
La section thermodynamique de la chimie physique utilise des méthodes théoriques (calcul) et pratiques (expérimentales) pour résoudre ses principaux problèmes. Le premier groupe de méthodes vous permet de relier quantitativement différentes propriétés et de calculer certaines d'entre elles en fonction des valeurs expérimentales des autres, en utilisant les principes de la thermodynamique. Les lois de la mécanique quantique aident à établir les modes de description et les caractéristiques du mouvement des particules, à relier les grandeurs qui les caractérisent aux paramètres physiques déterminés au cours des expériences.
Les méthodes de recherche en thermodynamique chimique sont divisées en deux groupes:
- Thermodynamique. Ils ne tiennent pas compte de la nature des substances spécifiques et ne sont basés sur aucune idée modèle sur la structure atomique et moléculaire des substances. De telles méthodes sont généralement appelées phénoménologiques, c'est-à-dire établissant des relations entre des quantités observées.
- Statistique. Ils sont basés sur la structure de la matière et les effets quantiques, permettent de décrire le comportement des systèmes basés sur l'analyse des processus se produisant au niveau des atomes et de leurs particules constitutives.
Ces deux approches ont leurs avantages et leurs inconvénients.
| Méthode | Dignité | Défauts |
| Thermodynamique | En raison du grandla généralité est assez simple et ne nécessite pas d'informations supplémentaires, tout en résolvant des problèmes spécifiques | Ne révèle pas le mécanisme du processus |
| Statistique | Aide à comprendre l'essence et le mécanisme du phénomène, car il est basé sur des idées sur les atomes et les molécules | Nécessite une préparation approfondie et une grande quantité de connaissances |
Concepts de base de la thermodynamique chimique
Un système est tout objet d'étude macroscopique matériel, isolé de l'environnement extérieur, et la frontière peut être à la fois réelle et imaginaire.
Types de systèmes:
- fermé (fermé) - caractérisé par la constance de la masse totale, il n'y a pas d'échange de matière avec l'environnement, cependant, un échange d'énergie est possible;
- open - échange à la fois de l'énergie et de la matière avec l'environnement;
- isolé - n'échange pas d'énergie (chaleur, travail) ou de matière avec l'environnement extérieur, tant qu'il a un volume constant;
- adiabatic-isolated - n'a pas seulement un échange de chaleur avec l'environnement, mais peut être associé au travail.
Les concepts de contacts thermiques, mécaniques et de diffusion sont utilisés pour indiquer la méthode d'échange d'énergie et de matière.
Les paramètres d'état du système sont toutes les macrocaractéristiques mesurables de l'état du système. Ils peuvent être:
- intense - indépendant de la masse (température, pression);
- extensif (capacitif) - proportionnel à la masse de la substance (volume,capacité calorifique, masse).
Tous ces paramètres sont empruntés par la thermodynamique chimique à la physique et à la chimie, mais acquièrent un contenu légèrement différent, puisqu'ils sont considérés en fonction de la température. C'est grâce à cette valeur que les différentes propriétés sont interconnectées.
L'équilibre est un état d'un système dans lequel il est soumis à des conditions externes constantes et se caractérise par une constance temporaire des paramètres thermodynamiques, ainsi que par l'absence de flux de matière et de chaleur. Pour cet état, la constance de la pression, de la température et du potentiel chimique est observée dans tout le volume du système.
Processus d'équilibre et de non-équilibre
Le processus thermodynamique occupe une place particulière dans le système des concepts de base de la thermodynamique chimique. Il est défini comme des changements dans l'état du système, caractérisés par des changements dans un ou plusieurs paramètres thermodynamiques.
Des modifications de l'état du système sont possibles dans différentes conditions. À cet égard, une distinction est faite entre les processus d'équilibre et de non-équilibre. Un processus d'équilibre (ou quasi-statique) est considéré comme une série d'états d'équilibre d'un système. Dans ce cas, tous ses paramètres changent infiniment lentement. Pour qu'un tel processus ait lieu, un certain nombre de conditions doivent être remplies:
- Différence infiniment petite dans les valeurs des forces agissantes et opposées (pression interne et externe, etc.).
- Vitesse infiniment lente du processus.
- Travail maximum.
- Un changement infinitésimal de la force externe modifie la direction du fluxprocessus inverse.
- Les valeurs du travail des processus directs et inverses sont égales et leurs chemins sont les mêmes.
Le processus de passage de l'état de non-équilibre du système à l'équilibre est appelé relaxation, et sa durée est appelée temps de relaxation. En thermodynamique chimique, la plus grande valeur du temps de relaxation pour tout processus est souvent prise. Cela est dû au fait que les systèmes réels quittent facilement l'état d'équilibre avec les flux émergents d'énergie et/ou de matière dans le système et sont hors d'équilibre.
Processus réversibles et irréversibles
Le processus thermodynamique réversible est le passage d'un système d'un de ses états à un autre. Il peut circuler non seulement dans le sens direct, mais aussi dans le sens opposé, de plus, à travers les mêmes états intermédiaires, alors qu'il n'y aura aucun changement dans l'environnement.
Irréversible est un processus pour lequel la transition du système d'un état à un autre est impossible, non accompagnée de changements dans l'environnement.
Les processus irréversibles sont:
- transfert de chaleur à une différence de température finie;
- expansion d'un gaz dans le vide, car aucun travail n'est effectué pendant celui-ci, et il est impossible de comprimer le gaz sans le faire;
- diffusion, car après le retrait, les gaz se diffusent facilement mutuellement, et le processus inverse est impossible sans faire de travail.
Autres types de procédés thermodynamiques
Le processus circulaire (cycle) est un tel processus, pendantlequel le système a été caractérisé par un changement de ses propriétés, et à la fin de celui-ci est revenu à ses valeurs d'origine.
Selon les valeurs de température, de volume et de pression caractérisant le processus, on distingue les types de processus suivants en thermodynamique chimique:
- Isotherme (T=const).
- Isobare (P=const).
- Isochore (V=const).
- Adiabatique (Q=const).
Les lois de la thermodynamique chimique
Avant de considérer les principaux postulats, il est nécessaire de rappeler l'essence des grandeurs caractérisant l'état des différents systèmes.
L'énergie interne U d'un système est comprise comme le stock de son énergie, qui se compose des énergies de mouvement et d'interaction des particules, c'est-à-dire de tous les types d'énergie à l'exception de l'énergie cinétique et de son énergie potentielle de position. Déterminer sa variation ∆U.
L'enthalpie H est souvent appelée l'énergie du système expansé, ainsi que son contenu calorifique. H=U+pV.
La chaleur Q est une forme désordonnée de transfert d'énergie. La chaleur interne du système est considérée comme positive (Q > 0) si la chaleur est absorbée (processus endothermique). Elle est négative (Q < 0) en cas de dégagement de chaleur (processus exothermique).
Le travail A est une forme ordonnée de transfert d'énergie. Elle est considérée comme positive (A>0) si elle est réalisée par le système contre des forces extérieures, et négative (A<0) si elle est réalisée par des forces extérieures sur le système.
Le postulat de base est la première loi de la thermodynamique. Il y a beaucoup deses formulations, parmi lesquelles on peut distinguer: « Le passage de l'énergie d'un type à un autre se produit en quantités strictement équivalentes. »
Si le système passe de l'état 1 à l'état 2, accompagné de l'absorption de chaleur Q, qui, à son tour, est dépensée pour changer l'énergie interne ∆U et faire le travail A, alors mathématiquement ce postulat est écrit par les équations: Q=∆U +A ou δQ=dU + δA.
La deuxième loi de la thermodynamique, comme la première, n'est pas dérivée théoriquement, mais a le statut d'un postulat. Cependant, sa fiabilité est confirmée par les conséquences de celle-ci correspondant à des observations expérimentales. En chimie physique, la formulation suivante est plus courante: "Pour tout système isolé qui n'est pas dans un état d'équilibre, l'entropie augmente avec le temps et sa croissance continue jusqu'à ce que le système entre dans un état d'équilibre."
Mathématiquement, ce postulat de la thermodynamique chimique a la forme: dSisol≧0. Le signe d'inégalité dans ce cas indique l'état de non-équilibre, et le signe "=" indique l'équilibre.
