Beberapa elemen dasar termodinamika kimia mulai dipelajari di sekolah menengah. Dalam pelajaran kimia, siswa untuk pertama kalinya menemukan konsep-konsep seperti proses reversibel dan ireversibel, kesetimbangan kimia, efek termal dan banyak lainnya. Dari pelajaran fisika sekolah, mereka belajar tentang energi dalam, usaha, potensial, bahkan mengenal hukum pertama termodinamika.
Definisi termodinamika
Mahasiswa universitas dan perguruan tinggi spesialisasi teknik kimia mempelajari termodinamika secara rinci dalam kerangka fisika dan/atau kimia koloid. Ini adalah salah satu mata pelajaran mendasar, pemahaman yang memungkinkan Anda untuk melakukan perhitungan yang diperlukan untuk pengembangan lini produksi teknologi baru dan peralatan untuk mereka, memecahkan masalah dalam skema teknologi yang ada.
Termodinamika kimia biasanya disebut salah satu cabang kimia fisika yang mempelajari makrosistem kimia dan proses terkait berdasarkan hukum umum tentang transformasi panas, kerja, dan energi menjadi satu sama lain.
Ini didasarkan pada tiga postulat, yang sering disebut prinsip termodinamika. Mereka tidak memilikidasar matematis, tetapi didasarkan pada generalisasi data eksperimen yang telah dikumpulkan oleh umat manusia. Banyak konsekuensi yang diturunkan dari hukum-hukum ini, yang menjadi dasar dari deskripsi dunia sekitarnya.
Tugas
Tugas utama termodinamika kimia meliputi:
- studi menyeluruh, serta penjelasan tentang pola terpenting yang menentukan arah proses kimia, kecepatannya, kondisi yang memengaruhinya (lingkungan, pengotor, radiasi, dll.);
- perhitungan efek energi dari setiap proses kimia atau fisika-kimia;
- deteksi kondisi untuk hasil maksimum produk reaksi;
- penentuan kriteria keadaan setimbang berbagai sistem termodinamika;
- menetapkan kriteria yang diperlukan untuk aliran spontan dari proses fisik dan kimia tertentu.
Objek dan objek
Bagian sains ini tidak bertujuan untuk menjelaskan sifat atau mekanisme fenomena kimia apa pun. Dia hanya tertarik pada sisi energi dari proses yang sedang berlangsung. Oleh karena itu, subjek termodinamika kimia dapat disebut energi dan hukum konversi energi selama reaksi kimia, pelarutan zat selama penguapan dan kristalisasi.
Ilmu ini memungkinkan untuk menilai apakah reaksi ini atau itu dapat berlangsung dalam kondisi tertentu dengan tepat dari sisi energi masalahnya.
Objek studinya disebut neraca panas proses fisika dan kimia, fasetransisi dan kesetimbangan kimia. Dan hanya dalam sistem makroskopik, yaitu yang terdiri dari sejumlah besar partikel.
Metode
Bagian termodinamika kimia fisika menggunakan metode teoritis (perhitungan) dan praktis (eksperimental) untuk menyelesaikan masalah utamanya. Kelompok metode pertama memungkinkan Anda untuk menghubungkan sifat-sifat yang berbeda secara kuantitatif, dan menghitung beberapa di antaranya berdasarkan nilai eksperimental yang lain, menggunakan prinsip-prinsip termodinamika. Hukum mekanika kuantum membantu menetapkan cara penggambaran dan ciri-ciri gerak partikel, untuk menghubungkan besaran yang menjadi cirinya dengan parameter fisika yang ditentukan selama eksperimen.
Metode penelitian termodinamika kimia dibagi menjadi dua kelompok:
- Termodinamika. Mereka tidak memperhitungkan sifat zat tertentu dan tidak didasarkan pada gagasan model apa pun tentang struktur atom dan molekul zat. Metode seperti ini biasanya disebut fenomenologis, yaitu menetapkan hubungan antara besaran-besaran yang diamati.
- Statistik. Mereka didasarkan pada struktur materi dan efek kuantum, memungkinkan menggambarkan perilaku sistem berdasarkan analisis proses yang terjadi pada tingkat atom dan partikel penyusunnya.
Kedua pendekatan ini memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing.
| Metode | martabat | Kekurangan |
| Termodinamika | Karena besarumum cukup sederhana dan tidak memerlukan informasi tambahan, sambil memecahkan masalah khusus | Tidak mengungkapkan mekanisme proses |
| Statistik | Membantu memahami esensi dan mekanisme fenomena, karena didasarkan pada gagasan tentang atom dan molekul | Memerlukan persiapan yang matang dan pengetahuan yang banyak |
Konsep dasar termodinamika kimia
Sistem adalah objek studi makroskopik material apa pun, terisolasi dari lingkungan luar, dan batasnya bisa nyata dan imajiner.
Jenis sistem:
- tertutup (tertutup) - ditandai dengan keteguhan massa total, tidak ada pertukaran materi dengan lingkungan, namun, pertukaran energi dimungkinkan;
- terbuka - pertukaran energi dan materi dengan lingkungan;
- terisolasi - tidak bertukar energi (panas, kerja) atau materi dengan lingkungan luar, sementara volumenya konstan;
- diabatik-terisolasi - tidak hanya memiliki pertukaran panas dengan lingkungan, tetapi dapat dikaitkan dengan pekerjaan.
Konsep kontak termal, mekanik dan difusi digunakan untuk menunjukkan metode pertukaran energi dan materi.
Parameter status sistem adalah semua karakteristik makro terukur dari status sistem. Bisa berupa:
- intens - tidak bergantung pada massa (suhu, tekanan);
- luas (kapasitif) - sebanding dengan massa zat (volume,kapasitas panas, massa).
Semua parameter ini dipinjam oleh termodinamika kimia dari fisika dan kimia, tetapi memperoleh konten yang sedikit berbeda, karena dianggap bergantung pada suhu. Berkat nilai inilah berbagai properti saling berhubungan.
Kesetimbangan adalah keadaan suatu sistem di mana ia berada di bawah kondisi eksternal yang konstan dan dicirikan oleh keteguhan sementara parameter termodinamika, serta tidak adanya aliran material dan panas di dalamnya. Untuk keadaan ini, keteguhan tekanan, suhu dan potensial kimia diamati di seluruh volume sistem.
Proses kesetimbangan dan non-keseimbangan
Proses termodinamika menempati tempat khusus dalam sistem konsep dasar termodinamika kimia. Ini didefinisikan sebagai perubahan keadaan sistem, yang ditandai dengan perubahan dalam satu atau lebih parameter termodinamika.
Perubahan status sistem dimungkinkan dalam kondisi yang berbeda. Dalam hal ini, perbedaan dibuat antara proses ekuilibrium dan non-ekuilibrium. Proses kesetimbangan (atau kuasi-statis) dianggap sebagai serangkaian keadaan kesetimbangan suatu sistem. Dalam hal ini, semua parameternya berubah sangat lambat. Agar proses seperti itu terjadi, sejumlah kondisi harus dipenuhi:
- Perbedaan kecil yang tak terhingga dalam nilai gaya aksi dan kekuatan lawan (tekanan internal dan eksternal, dll.).
- Kecepatan proses sangat lambat.
- Kerja maksimal.
- Perubahan yang sangat kecil dalam gaya eksternal mengubah arah aliranproses sebaliknya.
- Nilai kerja proses langsung dan proses balik adalah sama, dan jalurnya sama.
Proses mengubah keadaan tidak setimbang dari sistem ke kesetimbangan disebut relaksasi, dan durasinya disebut waktu relaksasi. Dalam termodinamika kimia, nilai terbesar dari waktu relaksasi untuk setiap proses sering diambil. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa sistem nyata dengan mudah meninggalkan keadaan setimbang dengan aliran energi dan/atau materi yang muncul dalam sistem dan tidak setimbang.
Proses reversibel dan ireversibel
Proses termodinamika reversibel adalah transisi sistem dari satu keadaan ke keadaan lainnya. Itu bisa mengalir tidak hanya ke arah depan, tetapi juga ke arah yang berlawanan, apalagi, melalui keadaan perantara yang sama, sementara tidak akan ada perubahan di lingkungan.
Ireversibel adalah proses dimana transisi sistem dari satu keadaan ke keadaan lain tidak mungkin, tidak disertai dengan perubahan lingkungan.
Proses yang tidak dapat diubah adalah:
- perpindahan panas pada perbedaan suhu terbatas;
- pemuaian gas dalam ruang hampa, karena tidak ada kerja yang dilakukan selama itu, dan tidak mungkin untuk memampatkan gas tanpa melakukannya;
- difusi, karena setelah dikeluarkan, gas akan mudah saling berdifusi, dan proses sebaliknya tidak mungkin dilakukan tanpa melakukan usaha.
Jenis proses termodinamika lainnya
Proses melingkar (siklus) adalah proses seperti itu, selamadimana sistem dicirikan oleh perubahan sifat-sifatnya, dan pada akhirnya kembali ke nilai aslinya.
Bergantung pada nilai suhu, volume, dan tekanan yang mencirikan proses, jenis proses berikut dibedakan dalam termodinamika kimia:
- Isothermal (T=const).
- Isobarik (P=const).
- Isochoric (V=const).
- Adiabatik (Q=const).
Hukum Termodinamika Kimia
Sebelum mempertimbangkan postulat utama, perlu diingat esensi besaran yang mencirikan keadaan berbagai sistem.
Energi internal U suatu sistem dipahami sebagai cadangan energinya, yang terdiri dari energi gerak dan interaksi partikel, yaitu semua jenis energi kecuali energi kinetik dan energi potensial posisinya. Tentukan perubahannya U.
Entalpi H sering disebut energi sistem yang diperluas, serta kandungan panasnya. H=U+pV.
Panas Q adalah bentuk perpindahan energi yang tidak teratur. Kalor dalam sistem dianggap positif (Q > 0) jika kalor diserap (proses endoterm). Negatif (Q < 0) jika kalor dilepaskan (proses eksoterm).
Usaha A adalah bentuk perpindahan energi yang teratur. Dianggap positif (A>0) jika dilakukan oleh sistem melawan gaya eksternal, dan negatif (A<0) jika dilakukan oleh gaya eksternal pada sistem.
postulat dasar adalah hukum pertama termodinamika. Ada banyakformulasinya, di antaranya dapat dibedakan sebagai berikut: "Transisi energi dari satu jenis ke jenis lainnya terjadi dalam jumlah yang sangat setara."
Jika sistem melakukan transisi dari keadaan 1 ke keadaan 2, disertai dengan penyerapan kalor Q, yang selanjutnya dihabiskan untuk mengubah energi dalam U dan melakukan kerja A, maka secara matematis postulat ini adalah ditulis dengan persamaan: Q=∆U +A atau Q=dU + A.
Hukum kedua termodinamika, seperti yang pertama, tidak diturunkan secara teoritis, tetapi berstatus postulat. Namun, keandalannya dikonfirmasi oleh konsekuensinya sesuai dengan pengamatan eksperimental. Dalam kimia fisik, formulasi berikut lebih umum: "Untuk setiap sistem terisolasi yang tidak dalam keadaan setimbang, entropi meningkat seiring waktu, dan pertumbuhannya berlanjut hingga sistem memasuki keadaan setimbang."
Secara matematis, postulat termodinamika kimia ini berbentuk: dSisol≧0. Tanda pertidaksamaan dalam hal ini menunjukkan keadaan tidak setimbang, dan tanda "=" menunjukkan keseimbangan.
