Alguns elementos dos fundamentos da termodinâmica química começam a ser considerados no ensino médio. Nas aulas de química, os alunos pela primeira vez se deparam com conceitos como processos reversíveis e irreversíveis, equilíbrio químico, efeito térmico e muitos outros. No curso de física da escola, eles aprendem sobre energia interna, trabalho, potenciais e até se familiarizam com a primeira lei da termodinâmica.
Definição de termodinâmica
Estudantes de universidades e faculdades de especialidades de engenharia química estudam termodinâmica em detalhes no âmbito da química física e/ou coloidal. Este é um dos assuntos fundamentais, cujo entendimento permite realizar os cálculos necessários para o desenvolvimento de novas linhas de produção tecnológica e equipamentos para as mesmas, resolvendo problemas em esquemas tecnológicos existentes.
A termodinâmica química é geralmente chamada de um dos ramos da físico-química que estuda macrossistemas químicos e processos relacionados com base nas leis gerais sobre a transformação de calor, trabalho e energia entre si.
Ele é baseado em três postulados, que são frequentemente chamados de princípios da termodinâmica. Eles não tembase matemática, mas baseiam-se na generalização de dados experimentais que foram acumulados pela humanidade. Inúmeras consequências são derivadas dessas leis, que formam a base da descrição do mundo circundante.
Tarefas
As principais tarefas da termodinâmica química incluem:
- um estudo aprofundado, bem como uma explicação dos padrões mais importantes que determinam a direção dos processos químicos, sua velocidade, as condições que os afetam (ambiente, impurezas, radiação, etc.);
- cálculo do efeito energético de qualquer processo químico ou físico-químico;
- detecção de condições para o rendimento máximo dos produtos da reação;
- determinação de critérios para o estado de equilíbrio de vários sistemas termodinâmicos;
- estabelecer os critérios necessários para o fluxo espontâneo de um determinado processo físico-químico.
Objeto e objeto
Esta seção da ciência não visa explicar a natureza ou mecanismo de qualquer fenômeno químico. Ela só está interessada no lado energético dos processos em andamento. Portanto, o assunto da termodinâmica química pode ser chamado de energia e as leis de conversão de energia no curso de reações químicas, a dissolução de substâncias durante a evaporação e cristalização.
Esta ciência torna possível julgar se esta ou aquela reação é capaz de proceder sob certas condições precisamente do lado energético da questão.
Os objetos de seu estudo são chamados de balanços térmicos de processos físicos e químicos, fasetransições e equilíbrios químicos. E apenas em sistemas macroscópicos, ou seja, aqueles que consistem em um grande número de partículas.
Métodos
A seção termodinâmica da físico-química utiliza métodos teóricos (de cálculo) e práticos (experimentais) para resolver seus principais problemas. O primeiro grupo de métodos permite relacionar quantitativamente diferentes propriedades e calcular algumas delas com base nos valores experimentais de outras, usando os princípios da termodinâmica. As leis da mecânica quântica ajudam a estabelecer as formas de descrição e as características do movimento das partículas, para conectar as quantidades que as caracterizam com os parâmetros físicos determinados no decorrer dos experimentos.
Os métodos de pesquisa da termodinâmica química são divididos em dois grupos:
- Termodinâmico. Eles não levam em conta a natureza de substâncias específicas e não se baseiam em nenhuma ideia de modelo sobre a estrutura atômica e molecular das substâncias. Tais métodos são geralmente chamados de fenomenológicos, ou seja, estabelecem relações entre quantidades observadas.
- Estatístico. Baseiam-se na estrutura da matéria e nos efeitos quânticos, permitem descrever o comportamento dos sistemas com base na análise de processos que ocorrem ao nível dos átomos e das suas partículas constituintes.
Ambas as abordagens têm suas vantagens e desvantagens.
| Método | Dignidade | Falhas |
| Termodinâmica |
Devido ao grandegeneralidade é bastante simples e não requer informações adicionais, enquanto resolve problemas específicos |
Não revela o mecanismo do processo |
| Estatístico | Ajuda a entender a essência e o mecanismo do fenômeno, pois é baseado em ideias sobre átomos e moléculas | Requer preparação completa e uma grande quantidade de conhecimento |
Conceitos básicos de termodinâmica química
Um sistema é qualquer objeto macroscópico material de estudo, isolado do ambiente externo, e a fronteira pode ser real e imaginária.
Tipos de sistemas:
- fechado (fechado) - caracterizado pela constância da massa total, não há troca de matéria com o ambiente, porém, troca de energia é possível;
- aberto - troca energia e matéria com o meio ambiente;
- isolado - não troca energia (calor, trabalho) ou matéria com o meio externo, enquanto tiver volume constante;
- isolado adiabático - não possui apenas troca de calor com o ambiente, mas pode ser associado ao trabalho.
Os conceitos de contatos térmicos, mecânicos e de difusão são usados para indicar o método de troca de energia e matéria.
Parâmetros de estado do sistema são quaisquer macrocaracterísticas mensuráveis do estado do sistema. Podem ser:
- intenso - independente da massa (temperatura, pressão);
- extensivo (capacitivo) - proporcional à massa da substância (volume,capacidade de calor, massa).
Todos esses parâmetros são emprestados pela termodinâmica química da física e da química, mas adquirem um conteúdo um pouco diferente, pois são considerados dependendo da temperatura. É graças a este valor que as várias propriedades estão interligadas.
Equilíbrio é um estado de um sistema no qual ele está sob condições externas constantes e é caracterizado por uma constância temporária de parâmetros termodinâmicos, bem como pela ausência de fluxos de material e calor nele. Para este estado, a constância de pressão, temperatura e potencial químico é observada em todo o volume do sistema.
Processos de equilíbrio e não equilíbrio
O processo termodinâmico ocupa um lugar especial no sistema de conceitos básicos da termodinâmica química. É definido como mudanças no estado do sistema, que são caracterizadas por mudanças em um ou mais parâmetros termodinâmicos.
Mudanças no estado do sistema são possíveis sob diferentes condições. A este respeito, é feita uma distinção entre processos de equilíbrio e não-equilíbrio. Um processo de equilíbrio (ou quase-estático) é considerado como uma série de estados de equilíbrio de um sistema. Nesse caso, todos os seus parâmetros mudam infinitamente lentamente. Para que tal processo ocorra, uma série de condições devem ser atendidas:
- Diferença infinitamente pequena nos valores das forças atuantes e opostas (pressão interna e externa, etc.).
- Velocidade infinitamente lenta do processo.
- Trabalho máximo.
- Uma mudança infinitesimal na força externa muda a direção do fluxoprocesso reverso.
- Os valores do trabalho dos processos direto e reverso são iguais, e seus caminhos são os mesmos.
O processo de mudança do estado de não equilíbrio do sistema para equilíbrio é chamado de relaxamento, e sua duração é chamada de tempo de relaxamento. Na termodinâmica química, o maior valor do tempo de relaxação para qualquer processo é frequentemente tomado. Isso se deve ao fato de que sistemas reais saem facilmente do estado de equilíbrio com os fluxos emergentes de energia e/ou matéria no sistema e não estão em equilíbrio.
Processos reversíveis e irreversíveis
Processo termodinâmico reversível é a transição de um sistema de um de seus estados para outro. Ele pode fluir não apenas na direção direta, mas também na direção oposta, além disso, através dos mesmos estados intermediários, enquanto não haverá mudanças no ambiente.
Irreversível é um processo para o qual a transição do sistema de um estado para outro é impossível, não acompanhada de mudanças no ambiente.
Processos irreversíveis são:
- transferência de calor com diferença de temperatura finita;
- expansão de um gás no vácuo, já que nenhum trabalho é realizado durante ele e é impossível comprimir o gás sem fazê-lo;
- difusão, pois após a remoção os gases se difundirão facilmente entre si, e o processo inverso é impossível sem realizar trabalho.
Outros tipos de processos termodinâmicos
Processo circular (ciclo) é tal processo, durantequal o sistema foi caracterizado por uma mudança em suas propriedades, e ao final do mesmo retornou aos seus valores originais.
Dependendo dos valores de temperatura, volume e pressão que caracterizam o processo, os seguintes tipos de processo são distinguidos em termodinâmica química:
- Isotérmica (T=const).
- Isobárica (P=const).
- Isocórica (V=const).
- Adiabático (Q=const).
As leis da termodinâmica química
Antes de considerar os principais postulados, é necessário lembrar a essência das grandezas que caracterizam o estado de vários sistemas.
A energia interna U de um sistema é entendida como o estoque de sua energia, que consiste nas energias de movimento e interação das partículas, ou seja, todos os tipos de energia exceto a energia cinética e sua energia potencial de posição. Determine sua variação ∆U.
A entalpia H é frequentemente chamada de energia do sistema expandido, bem como seu conteúdo de calor. H=U+pV.
Calor Q é uma forma desordenada de transferência de energia. O calor interno do sistema é considerado positivo (Q > 0) se o calor for absorvido (processo endotérmico). É negativo (Q < 0) se o calor for liberado (processo exotérmico).
Trabalho A é uma forma ordenada de transferência de energia. É considerado positivo (A>0) se for realizado pelo sistema contra forças externas e negativo (A<0) se for realizado por forças externas no sistema.
O postulado básico é a primeira lei da termodinâmica. Há muitossuas formulações, dentre as quais se destacam: "A transição de energia de um tipo para outro ocorre em quantidades estritamente equivalentes."
Se o sistema faz uma transição do estado 1 para o estado 2, acompanhada pela absorção de calor Q, que, por sua vez, é gasto na variação da energia interna ∆U e no trabalho A, então matematicamente este postulado é escrito pelas equações: Q=∆U +A ou δQ=dU + δA.
A segunda lei da termodinâmica, como a primeira, não é derivada teoricamente, mas tem status de postulado. No entanto, sua confiabilidade é confirmada pelas consequências de sua correspondência com observações experimentais. Em físico-química, a seguinte formulação é mais comum: "Para qualquer sistema isolado que não esteja em estado de equilíbrio, a entropia aumenta com o tempo e seu crescimento continua até que o sistema entre em estado de equilíbrio."
Matematicamente, este postulado da termodinâmica química tem a forma: dSisol≧0. O sinal de desigualdade neste caso indica o estado de não equilíbrio e o sinal "=" indica equilíbrio.
