Termodinamik

Sistem

Untuk membincangkan termodinamik kimia, adalah perlu untuk menentukan dengan jelas sistem dan persekitarannya. Sistem ialah sebahagian daripada jirim dengan sifat fizikal dan kimia tertentu, yang dipisahkan daripada persekitarannya oleh dinding. Persekitaran adalah seluruh alam semesta yang berada di luar sistem. Contoh sistem termasuk bikar yang diisi dengan air, silinder dengan gas, atau sel biologi. Kami membezakan beberapa istilah yang mentakrifkan sistem:

• Sistem terbuka bermaksud jirim dan tenaga boleh ditukar dengan persekitaran sistem, contohnya reaktor terbuka.
• Sistem tertutup bermaksud jirim tidak boleh ditukar, contohnya kelalang tertutup. Walau bagaimanapun, pertukaran tenaga adalah mungkin. Sistem tertutup boleh menjadi adiabatik (jika mereka tidak menukar jisim atau haba tetapi mereka menukar bentuk tenaga lain; contohnya: kerja) atau isoterma (jika mereka tidak menukar jisim tetapi mereka menukar semua bentuk tenaga).
• Sistem terpencil bermakna tiada jirim mahupun tenaga ditukar dengan persekitaran, contohnya kelalang vakum terlindung dan tertutup.

Parameter keadaan

Setiap sistem mempunyai kuantiti fizik yang menentukan yang dipanggil pembolehubah atau parameter, yang boleh:

1. meluas , di mana ia dipengaruhi oleh jumlah bahan yang terdapat dalam sistem, contohnya isipadu atau bilangan tahi lalat;
2. intensif , di mana ia bebas daripada jumlah bahan dalam sistem, contohnya pecahan molar, isipadu tertentu, atau suhu.

Parameter yang disebutkan menentukan nilai asas fungsi termodinamik, khusus untuk sistem dan proses. Ini termasuk: tenaga dalaman (U), entalpi (H), entropi (S), tenaga bebas (F), entalpi bebas (G) dan terbitannya. Dalam kes sistem satu komponen yang mengandungi 1 mol bahan, nilai ini merujuk kepada fungsi termodinamik molar yang ditetapkan dengan huruf tambahan "m" dalam subskrip. Dalam termodinamik, seseorang mesti sentiasa menggunakan unit yang betul; untuk suhu kita menggunakan skala Kelvin, di mana 0°C = 273,15 K, manakala untuk tekanan ialah 1 pascal.

Kebolehbalikan sesuatu proses

Semasa proses fizikokimia, parameter awal sistem diubah. Setelah proses selesai, mereka boleh dipulihkan jika tindak balas terbalik berlaku. Oleh itu sistem kembali kepada nilai awal, iaitu proses boleh diterbalikkan. Walau bagaimanapun, jika jumlah jisim, haba atau kerja yang ditukar dengan persekitaran semasa tindak balas tidak mengimbangi antara satu sama lain apabila tindak balas tamat, maka proses itu dianggap tidak dapat dipulihkan. Ia hanya boleh meneruskan ke satu arah, sehingga sekurang-kurangnya satu substrat habis. Proses juga boleh menjadi spontan (di mana ia berlaku dengan mengorbankan tenaga sistem) atau teraruh (di mana tenaga mesti diperoleh daripada persekitaran). Jika tiada daya atau kecerunan tenaga antara sistem dan persekitaran, dan parameter sistem kekal tidak berubah, sistem dianggap berada dalam keadaan keseimbangan.

Fasa-fasa

Sistem bukan sahaja boleh merangkumi satu atau lebih komponen tetapi juga satu atau lebih fasa. Dalam sistem, fasa merujuk kepada bahagiannya di mana sifat fizikal dan kimia adalah seragam. Terdapat antara muka yang boleh dilihat dalam sistem berbilang fasa. Contoh paling mudah bagi fasa yang berbeza ialah air dalam tiga keadaan berbeza: cecair, gas dan pepejal. Apabila menerangkan fasa, adalah perlu untuk menentukan bukan sahaja suhu dan tekanan tetapi juga komposisi kualitatif dan kuantitatifnya.

Tenaga dalaman (U) sesuatu sistem

Ia ialah jumlah tenaga jirim yang terkandung dalam sistem, yang termasuk, antara lain , tenaga kinetik dan tenaga putaran, tenaga getaran atom, gerakan elektron atau ikatan atom. Tenaga dalaman ialah parameter luas yang ditakrifkan oleh keadaan sistem, iaitu suhu, tekanan, dan bilangan mol komponennya. Jika kita menganalisis sistem tertutup di mana parameter suhu dan tekanan kekal malar (T, V=const), nilai tenaga dalaman ialah hasil darab bilangan mol dan tenaga dalaman molar. Yang terakhir, seterusnya, adalah jumlah tenaga dalaman komponen individu termasuk kandungan peratusan. Unit tenaga SI ialah joule (1 J); kadangkala kita juga menggunakan nilai yang dinyatakan dalam kalori atau elektronvolt. Apabila gas yang memenuhi persamaan gas ideal menukar isipadunya, tenaga dalaman sistem kekal malar.

Entalpi (H)

Ia adalah fungsi termodinamik penting yang ditakrifkan sebagai jumlah tenaga dalaman dan hasil darab tekanan dan isipadu. Ini bermakna ia bergantung pada parameter bebas yang mencirikan keadaan sistem. Ia adalah kuantiti yang boleh diperluaskan, iaitu ia adalah bahan tambahan. Jika parameter p dan T sistem tertutup adalah malar, entalpi ialah hasil darab bilangan mol bahan dan entalpi molarnya. Adalah penting bahawa, dalam proses yang lengkap, perubahan dalam entalpi hanya bergantung pada keadaan awal (H _awal ) dan keadaan akhir (H _akhir ), manakala perjalanan proses itu tidak relevan. Perubahan dalam tekanan tidak menyebabkan perubahan dalam entalpi sistem yang dibentuk oleh gas yang memenuhi persamaan gas ideal.

Tenaga antara sistem dan persekitarannya

Tenaga mampu mengubah bentuknya, oleh itu ia boleh dipindahkan antara sistem dan persekitarannya sebagai haba (Q) atau kerja (W) . Sebarang kerja dan haba yang ditambahkan pada sistem meningkatkan tenaganya, jadi ia mesti mempunyai nilai positif (Q>0, W>0). Sebaliknya, semua tindakan yang mengurangkan tenaga sistem (kerja yang dilakukan atau haba yang dipancarkan ke persekitaran) dicatatkan sebagai nilai negatif (Q<0, W<0). Kesan haba dibahagikan kepada dua kategori:

1. endergonik, di mana haba ditambah kepada sistem,
2. eksergonik, di mana sistem membebaskan tenaga haba ke persekitarannya.

Kerja yang dilakukan oleh sistem juga boleh dibahagikan; ia mungkin:

1. kerja bukan-tekanan-isipadu – tidak berkaitan dengan perubahan dalam isipadu sistem, atau
2. kerja tekanan-isipadu – berkaitan dengan tekanan luaran yang bertindak ke atas sistem; jenis kerja ini mengubah volum sistem.

Hukum sifar termodinamik

Hukum sifar termodinamik menyatakan bahawa jasad dalam keseimbangan termodinamik mempunyai suhu yang sama sepanjang. Oleh itu, undang-undang mengandaikan kewujudan suhu empirikal yang sama dalam sistem untuk semua bahagiannya yang mungkin bertukar haba. Ini kerana bahagian-bahagian ini cenderung ke arah keseimbangan terma yang, selain keseimbangan kimia dan mekanikal, merupakan prasyarat untuk mendapatkan keseimbangan termodinamik.

Hukum pertama termodinamik

Juga dirujuk sebagai undang-undang pemuliharaan tenaga, ia berkaitan secara langsung dengan perubahan dalam entalpi atau tenaga dalaman sistem. Ia mempunyai dua andaian utama:

1. Tenaga dalaman sistem terpencil kekal malar, tanpa mengira proses, jika sistem memenuhi syarat berikut:

U = const dU = 0 ΔU = 0

2. Tenaga dalaman sistem tidak terpencil tertutup mungkin berubah akibat pertukaran kerja dan haba dengan persekitaran. Perubahan itu adalah aditif dan sama dengan jumlah tenaga yang ditambah atau diekstrak daripada sistem.

Akibat yang paling penting dari undang-undang pertama termodinamik ialah fakta bahawa tenaga dalaman sistem dianggap sebagai fungsi keadaan yang bebas daripada laluan proses.

Hukum kedua termodinamik

Ia adalah prinsip yang mentakrifkan arah proses termodinamik dalam alam semula jadi. Ia mengandaikan bahawa semua fenomena berjalan dalam arah yang tidak boleh diterbalikkan yang sama. Dalam sistem terpencil, terdapat fungsi keadaan yang dipanggil entropi (S) , yang tidak merosot dari semasa ke semasa. Entropi ialah ukuran sistem bercelaru, dan menurut undang-undang kedua termodinamik, sistem terpencil cenderung, melalui proses spontan, kepada keadaan yang secara beransur-ansur kurang teratur. Contoh paling mudah untuk memahami bahawa undang-undang ialah pemindahan haba antara dua sistem. Haba akan sentiasa dipindahkan dari objek yang lebih panas ke lebih sejuk, tidak sebaliknya.

Hukum ketiga termodinamik

Juga dirujuk sebagai postulat Planck atau Nernst-Planck, ia menyatakan bahawa entropi sistem dalam keadaan keseimbangan penuh (keadaan dengan tenaga terendah) menghampiri sifar apabila suhu menghampiri sifar mutlak. Walau bagaimanapun, kita harus ambil perhatian bahawa pada suhu sifar mutlak semua proses dalam sistem berhenti, dan juga haba tentu dan pengembangan haba menghampiri sifar mutlak. Ini bermakna bahawa penyejukan sistem membawa kepada pengurangan entropi kepada nilai yang sangat rendah, tetapi dalam praktiknya adalah mustahil untuk mencapai suhu sifar mutlak.