ქიმიური თერმოდინამიკის საფუძვლების ზოგიერთი ელემენტის განხილვა იწყება საშუალო სკოლაში. ქიმიის გაკვეთილებზე მოსწავლეები პირველად ხვდებიან ისეთ ცნებებს, როგორიცაა შექცევადი და შეუქცევადი პროცესები, ქიმიური წონასწორობა, თერმული ეფექტი და მრავალი სხვა. სკოლის ფიზიკის კურსიდან ისინი სწავლობენ შინაგან ენერგიას, სამუშაოს, პოტენციალს და ეცნობიან კიდეც თერმოდინამიკის პირველ კანონს.
თერმოდინამიკის განმარტება
ქიმიური ინჟინერიის სპეციალობების უნივერსიტეტებისა და კოლეჯების სტუდენტები დეტალურად სწავლობენ თერმოდინამიკას ფიზიკური და/ან კოლოიდური ქიმიის ფარგლებში. ეს არის ერთ-ერთი ფუნდამენტური საგანი, რომლის გაგება საშუალებას გაძლევთ შეასრულოთ გამოთვლები, რომლებიც აუცილებელია მათთვის ახალი ტექნოლოგიური საწარმოო ხაზებისა და აღჭურვილობის განვითარებისთვის, არსებული ტექნოლოგიური სქემების პრობლემების გადაჭრაში.
ქიმიურ თერმოდინამიკას ჩვეულებრივ უწოდებენ ფიზიკური ქიმიის ერთ-ერთ დარგს, რომელიც შეისწავლის ქიმიურ მაკროსისტემებსა და მასთან დაკავშირებულ პროცესებს სითბოს, მუშაობისა და ენერგიის ერთმანეთში გადაქცევის ზოგადი კანონების საფუძველზე.
ის ეფუძნება სამ პოსტულატს, რომლებსაც ხშირად თერმოდინამიკის პრინციპებს უწოდებენ. Მათ არ აქვთმათემატიკური საფუძველი, მაგრამ ეფუძნება კაცობრიობის მიერ დაგროვილი ექსპერიმენტული მონაცემების განზოგადებას. ამ კანონებიდან გამომდინარეობს მრავალი შედეგი, რომელიც საფუძვლად უდევს გარემომცველი სამყაროს აღწერას.
ამოცანები
ქიმიური თერმოდინამიკის ძირითადი ამოცანები მოიცავს:
- საფუძვლიანი შესწავლა, ასევე ყველაზე მნიშვნელოვანი შაბლონების ახსნა, რომლებიც განსაზღვრავენ ქიმიური პროცესების მიმართულებას, მათ სიჩქარეს, მათზე ზემოქმედების პირობებს (გარემო, მინარევები, რადიაცია და ა.შ.);
- ნებისმიერი ქიმიური ან ფიზიკურ-ქიმიური პროცესის ენერგეტიკული ეფექტის გაანგარიშება;
- პირობების გამოვლენა რეაქციის პროდუქტების მაქსიმალური მოსავლიანობისთვის;
- სხვადასხვა თერმოდინამიკური სისტემის წონასწორობის მდგომარეობის კრიტერიუმების განსაზღვრა;
- აუცილებელი კრიტერიუმების დადგენა კონკრეტული ფიზიკური და ქიმიური პროცესის სპონტანური ნაკადისთვის.
ობიექტი და ობიექტი
მეცნიერების ეს განყოფილება არ მიზნად ისახავს რაიმე ქიმიური ფენომენის ბუნების ან მექანიზმის ახსნას. მას მხოლოდ მიმდინარე პროცესების ენერგეტიკული მხარე აინტერესებს. მაშასადამე, ქიმიური თერმოდინამიკის საგანს შეიძლება ეწოდოს ენერგია და ენერგიის გარდაქმნის კანონები ქიმიური რეაქციების, აორთქლების და კრისტალიზაციის დროს ნივთიერებების დაშლისას.
ეს მეცნიერება შესაძლებელს ხდის განვსაჯოთ, შეუძლია თუ არა ამა თუ იმ რეაქციას გარკვეულ პირობებში მიმდინარეობა სწორედ საკითხის ენერგეტიკული მხრიდან.
მისი შესწავლის ობიექტებს ეწოდება ფიზიკური და ქიმიური პროცესების სითბოს ნაშთები, ფაზაგადასვლები და ქიმიური წონასწორობა. და მხოლოდ მაკროსკოპულ სისტემებში, ანუ ისეთებში, რომლებიც შედგება დიდი რაოდენობით ნაწილაკებისგან.
მეთოდები
ფიზიკური ქიმიის თერმოდინამიკური განყოფილება იყენებს თეორიულ (გამოთვლით) და პრაქტიკულ (ექსპერიმენტულ) მეთოდებს მისი ძირითადი ამოცანების გადასაჭრელად. მეთოდების პირველი ჯგუფი საშუალებას გაძლევთ რაოდენობრივად დააკავშიროთ სხვადასხვა თვისებები და გამოთვალოთ ზოგიერთი მათგანი სხვების ექსპერიმენტული მნიშვნელობების საფუძველზე, თერმოდინამიკის პრინციპების გამოყენებით. კვანტური მექანიკის კანონები ხელს უწყობს ნაწილაკების მოძრაობის აღწერის გზების და თავისებურებების დადგენას, მათ დამახასიათებელ რაოდენობებს ექსპერიმენტების დროს განსაზღვრულ ფიზიკურ პარამეტრებთან დაკავშირებას.
ქიმიური თერმოდინამიკის კვლევის მეთოდები იყოფა ორ ჯგუფად:
- თერმოდინამიკური. ისინი არ ითვალისწინებენ კონკრეტული ნივთიერებების ბუნებას და არ ეფუძნება რაიმე მოდელის იდეებს ნივთიერებების ატომური და მოლეკულური სტრუქტურის შესახებ. ასეთ მეთოდებს ჩვეულებრივ უწოდებენ ფენომენოლოგიურ, ანუ დაკვირვებულ სიდიდეებს შორის ურთიერთობის დამყარებას.
- სტატისტიკური. ისინი დაფუძნებულია მატერიის სტრუქტურასა და კვანტურ ეფექტებზე, საშუალებას გაძლევთ აღწეროთ სისტემების ქცევა ატომებისა და მათი შემადგენელი ნაწილაკების დონეზე მიმდინარე პროცესების ანალიზზე დაყრდნობით.
ორივე ამ მიდგომას აქვს თავისი დადებითი და უარყოფითი მხარეები.
| მეთოდი | ღირსება | ხარვეზები |
| თერმოდინამიკური | დიდიზოგადიობა საკმაოდ მარტივია და არ საჭიროებს დამატებით ინფორმაციას კონკრეტული პრობლემების გადაჭრისას | არ ავლენს პროცესის მექანიზმს |
| სტატისტიკური | გეხმარება გავიგოთ ფენომენის არსი და მექანიზმი, რადგან ის ემყარება იდეებს ატომებისა და მოლეკულების შესახებ | მოითხოვს საფუძვლიან მომზადებას და დიდ ცოდნას |
ქიმიური თერმოდინამიკის ძირითადი ცნებები
სისტემა არის შესწავლის ნებისმიერი მატერიალური მაკროსკოპული ობიექტი, იზოლირებული გარე გარემოდან და საზღვარი შეიძლება იყოს როგორც რეალური, ასევე წარმოსახვითი.
სისტემების ტიპები:
- დახურული (დახურული) - ხასიათდება მთლიანი მასის მუდმივობით, არ ხდება მატერიის გაცვლა გარემოსთან, თუმცა შესაძლებელია ენერგიის გაცვლა;
- ღია - ცვლის ენერგიასაც და მატერიას გარემოსთან;
- იზოლირებული - არ ცვლის ენერგიას (სითბოს, მუშაობას) ან მატერიას გარე გარემოსთან, ხოლო აქვს მუდმივი მოცულობა;
- ადიაბატური იზოლირებული - არ აქვს მხოლოდ სითბოს გაცვლა გარემოსთან, არამედ შეიძლება ასოცირებული იყოს მუშაობასთან.
თერმული, მექანიკური და დიფუზიური კონტაქტების ცნებები გამოიყენება ენერგიისა და მატერიის გაცვლის მეთოდის აღსანიშნავად.
სისტემის მდგომარეობის პარამეტრები არის სისტემის მდგომარეობის ნებისმიერი გაზომვადი მაკრომახასიათებელი. ისინი შეიძლება იყოს:
- ინტენსიური - დამოუკიდებელი მასისგან (ტემპერატურა, წნევა);
- ექსტენსიური (ტევადი) - ნივთიერების მასის პროპორციული (მოცულობა,სითბოს სიმძლავრე, მასა).
ყველა ეს პარამეტრი ნასესხებია ქიმიური თერმოდინამიკის მიერ ფიზიკისა და ქიმიიდან, მაგრამ იძენს ოდნავ განსხვავებულ შინაარსს, რადგან ისინი განიხილება ტემპერატურის მიხედვით. ამ მნიშვნელობის წყალობით ხდება სხვადასხვა თვისებები ერთმანეთთან დაკავშირებული.
წონასწორობა არის სისტემის მდგომარეობა, რომელშიც ის მოდის მუდმივ გარე პირობებში და ხასიათდება თერმოდინამიკური პარამეტრების დროებითი მუდმივობით, აგრეთვე მასში მასალისა და სითბოს ნაკადების არარსებობით. ამ მდგომარეობისთვის წნევის, ტემპერატურისა და ქიმიური პოტენციალის მუდმივობა შეინიშნება სისტემის მთელ მოცულობაში.
წონასწორული და არაბალანსირებული პროცესები
თერმოდინამიკური პროცესი განსაკუთრებული ადგილი უჭირავს ქიმიური თერმოდინამიკის ძირითადი ცნებების სისტემაში. იგი განისაზღვრება, როგორც სისტემის მდგომარეობის ცვლილებები, რომლებიც ხასიათდება ერთი ან მეტი თერმოდინამიკური პარამეტრის ცვლილებით.
სისტემის მდგომარეობის ცვლილებები შესაძლებელია სხვადასხვა პირობებში. ამ მხრივ, განასხვავებენ წონასწორულ და არაბალანსირებულ პროცესებს. წონასწორული (ან კვაზი-სტატიკური) პროცესი განიხილება, როგორც სისტემის წონასწორობის მდგომარეობების სერია. ამ შემთხვევაში, მისი ყველა პარამეტრი უსასრულოდ ნელა იცვლება. ასეთი პროცესის განსახორციელებლად, მთელი რიგი პირობები უნდა დაკმაყოფილდეს:
- უსასრულოდ მცირე განსხვავება მოქმედ და მოწინააღმდეგე ძალების მნიშვნელობებში (შიდა და გარე წნევა და ა.შ.).
- პროცესის უსაზღვროდ ნელი სიჩქარე.
- მაქსიმალური სამუშაო.
- გარე ძალის უსასრულოდ მცირე ცვლილება ცვლის დინების მიმართულებასსაპირისპირო პროცესი.
- პირდაპირი და საპირისპირო პროცესების მუშაობის მნიშვნელობები ტოლია და მათი ბილიკები ერთნაირია.
სისტემის არაწონასწორობის მდგომარეობის წონასწორობაში გადაქცევის პროცესს ეწოდება რელაქსაცია, ხოლო მის ხანგრძლივობას ეწოდება რელაქსაციის დრო. ქიმიურ თერმოდინამიკაში ხშირად იღებენ რელაქსაციის დროის უდიდეს მნიშვნელობას ნებისმიერი პროცესისთვის. ეს გამოწვეულია იმით, რომ რეალური სისტემები ადვილად ტოვებენ წონასწორობის მდგომარეობას სისტემაში წარმოქმნილი ენერგიისა და/ან მატერიის ნაკადებთან და არიან არაბალანსირებული.
შექცევადი და შეუქცევადი პროცესები
შექცევადი თერმოდინამიკური პროცესი არის სისტემის გადასვლა მისი ერთი მდგომარეობიდან მეორეზე. მას შეუძლია მიედინება არა მხოლოდ წინ, არამედ საპირისპირო მიმართულებით, უფრო მეტიც, იგივე შუალედური მდგომარეობების გავლით, ხოლო გარემოში ცვლილებები არ იქნება.
შეუქცევადი არის პროცესი, რომლის დროსაც სისტემის გადასვლა ერთი მდგომარეობიდან მეორეზე შეუძლებელია, რომელსაც არ ახლავს გარემოში ცვლილებები.
შეუქცევადი პროცესებია:
- სითბოს გადაცემა სასრულ ტემპერატურულ სხვაობაზე;
- გაზის გაფართოება ვაკუუმში, რადგან მის დროს არანაირი სამუშაო არ ხდება და შეუძლებელია გაზის შეკუმშვა ამის გარეშე;
- დიფუზია, ვინაიდან მოცილების შემდეგ აირები ადვილად გავრცელდებიან ორმხრივად და საპირისპირო პროცესი სამუშაოს შესრულების გარეშე შეუძლებელია.
სხვა ტიპის თერმოდინამიკური პროცესები
წრიული პროცესი (ციკლი) ასეთი პროცესია, დროსრომელიც სისტემას ახასიათებდა თვისებების ცვლილებით და ბოლოს დაუბრუნდა თავდაპირველ მნიშვნელობებს.
პროცესის დამახასიათებელი ტემპერატურის, მოცულობის და წნევის მნიშვნელობებიდან გამომდინარე, ქიმიურ თერმოდინამიკაში განასხვავებენ პროცესების შემდეგ ტიპებს:
- იზოთერმული (T=const).
- იზომარი (P=const).
- იზოქორიული (V=const).
- ადიაბატური (Q=const).
ქიმიური თერმოდინამიკის კანონები
მთავარი პოსტულატების განხილვამდე აუცილებელია გავიხსენოთ სხვადასხვა სისტემის მდგომარეობის დამახასიათებელი რაოდენობების არსი.
სისტემის შიდა ენერგია U გაგებულია, როგორც მისი ენერგიის მარაგი, რომელიც შედგება ნაწილაკების მოძრაობისა და ურთიერთქმედების ენერგიებისგან, ანუ ყველა სახის ენერგიისა გარდა კინეტიკური ენერგიისა და მისი პოტენციური პოზიციის ენერგიისა.. განსაზღვრეთ მისი ცვლილება ∆U.
ენთალპია H ხშირად უწოდებენ გაფართოებული სისტემის ენერგიას, ისევე როგორც მის სითბოს შემცველობას. H=U+pV.
სითბო Q არის ენერგიის გადაცემის უწესრიგო ფორმა. სისტემის შიდა სითბო დადებითად ითვლება (Q > 0), თუ სითბო შეიწოვება (ენდოთერმული პროცესი). ის უარყოფითია (Q < 0) თუ სითბო გამოიყოფა (ეგზოთერმული პროცესი).
სამუშაო A არის ენერგიის გადაცემის მოწესრიგებული ფორმა. იგი ითვლება დადებითად (A>0), თუ ის შესრულებულია სისტემის მიერ გარე ძალების წინააღმდეგ, და უარყოფითად (A<0), თუ ის ხორციელდება სისტემის გარე ძალებით.
ძირითადი პოსტულატი არის თერმოდინამიკის პირველი კანონი. Ბევრნი არიანმისი ფორმულირებები, რომელთა შორის შეიძლება განვასხვავოთ შემდეგი: "ენერგიის გადასვლა ერთი ტიპიდან მეორეზე ხდება მკაცრად ექვივალენტური რაოდენობით."
თუ სისტემა გადადის 1 მდგომარეობიდან მე-2 მდგომარეობაზე, რომელსაც თან ახლავს სითბო Q შთანთქმა, რომელიც, თავის მხრივ, იხარჯება ΔU შიდა ენერგიის შეცვლაზე და A სამუშაოს შესრულებაზე, მაშინ მათემატიკურად ეს პოსტულატი არის დაწერილი განტოლებებით: Q=∆U +A ან δQ=dU + δA.
თერმოდინამიკის მეორე კანონი, ისევე როგორც პირველი, თეორიულად არ არის მიღებული, მაგრამ აქვს პოსტულატის სტატუსი. თუმცა, მისი სანდოობა დასტურდება ექსპერიმენტული დაკვირვებების შესაბამისი შედეგებით. ფიზიკურ ქიმიაში შემდეგი ფორმულირება უფრო გავრცელებულია: „ნებისმიერი იზოლირებული სისტემისთვის, რომელიც არ არის წონასწორობის მდგომარეობაში, ენტროპია დროთა განმავლობაში იზრდება და მისი ზრდა გრძელდება მანამ, სანამ სისტემა არ შევა წონასწორობის მდგომარეობაში.“
მათემატიკურად, ქიმიური თერმოდინამიკის ამ პოსტულატს აქვს ფორმა: dSიზოლ≧0. უთანასწორობის ნიშანი ამ შემთხვევაში მიუთითებს არაწონასწორობის მდგომარეობაზე, ხოლო "=" ნიშანი მიუთითებს წონასწორობაზე.
