ΦΥΣΙΚΟΣ, η επιστήμη των γενικών νόμων που καθορίζουν τη δομή και τη χημεία. μετατροπή σε-σε κατά την αποσύνθεση. εσωτ. συνθήκες. Ερευνά τη χημεία. φαινόμενα χρησιμοποιώντας θεωρητική και πειραματιστείτε. μέθοδοι φυσικής.
Ως ανεξάρτητη επιστήμη, η φυσική επιστήμη διαμορφώθηκε. 18ος αιώνας Ο όρος «φυσικός» ανήκει στον M.V. Lomonosov, ο οποίος το 1752 δίδαξε για πρώτη φορά ένα μάθημα φυσικής σε φοιτητές στο Πανεπιστήμιο της Αγίας Πετρούπολης. Το μονοπάτι του ανήκει. ορισμός: «Η φυσική είναι μια επιστήμη που εξηγεί, με βάση τις αρχές και τα πειράματα της φυσικής, τι συμβαίνει σε μικτά σώματα κατά τη διάρκεια χημικών εργασιών». Το πρώτο επιστημονικό περιοδικό που προοριζόταν για τη δημοσίευση άρθρων για τη φυσική ιδρύθηκε το 1887 από τους W. Ostwald και J. Van't Hoff.
φά η φυσική είναι η κύρια θεωρητική. το θεμέλιο του σύγχρονου , με βάση τόσο σημαντικούς κλάδους της φυσικής όπως η στατιστική. φυσική και μη γραμμική δυναμική, θεωρία πεδίου κ.λπ. Περιλαμβάνει το δόγμα της δομής της ύλης, συμπ. περίπου , και . Ως ξεχωριστές ενότητες στη φυσική, η φυσική επιστήμη (συμπεριλαμβανομένων), η μελέτη της φυσικής και η φυσικοχημεία υψηλού μοριακού βάρους διακρίνονται συχνά. συν. κ.λπ. Είναι πολύ κοντά στο φυσικό και μερικές φορές θεωρούνται ως ανεξάρτητα από αυτό. ενότητες και . Τα περισσότερα τμήματα της φυσικής έχουν αρκετά σαφή όρια όσον αφορά τα αντικείμενα και τις μεθόδους έρευνας, μεθοδολογικά. χαρακτηριστικά και τη συσκευή που χρησιμοποιείται.
Μοντέρνο Το στάδιο της φυσικής ανάπτυξης χαρακτηρίζεται από μια εις βάθος ανάλυση των γενικών νόμων της χημείας. μεταμορφώσεις στην προβλήτα επίπεδο, ευρεία χρήση τάπητα. , επέκταση της εξωτερικής εμβέλειας. επιπτώσεις στα χημικά σύστημα (υψηλές και κρυογονικές θερμοκρασίες, υψηλές, ισχυρές ακτινοβολίες και μαγνητικές επιρροές), η μελέτη υπερταχέων διεργασιών, μέθοδοι συσσώρευσης ενέργειας στα χημικά. v-vah, κλπ.
Η εφαρμογή της κβαντικής θεωρίας, πρώτα από όλα, στην εξήγηση της χημείας. φαινόμενα συνεπαγόμενα μέσα. Η αυξημένη προσοχή στο επίπεδο ερμηνείας οδήγησε στον εντοπισμό δύο κατευθύνσεων. Μια κατεύθυνση που βασίζεται στην κβαντική μηχανική. θεωρία και λειτουργία σε μικροσκοπικό. επίπεδο εξήγησης των φαινομένων, που συχνά αποκαλούνται χημικά. φυσική, αλλά μια κατεύθυνση που λειτουργεί με σύνολα μεγάλου αριθμού σωματιδίων, όπου τίθενται σε ισχύ στατιστικές αρχές. νόμοι - φυσικοί. Με αυτή τη διαίρεση, το όριο μεταξύ φυσικής χημείας και χημείας. φυσική όχι μ.β. πραγματοποιείται απότομα, κάτι που είναι ιδιαίτερα εμφανές στη θεωρία των χημικών ποσοστών. συνοικίες.
Το δόγμα της δομής του νησιού καισυνοψίζει ένα εκτενές πείραμα. υλικό που λαμβάνεται με τη χρήση τέτοιων φυσικών μεθόδους, όπως η μοριακή μελέτη αλληλεπιδράσεων. ηλεκτρομαγνητικός ακτινοβολία με ουσίες σε διαφορετικά εύρη μήκους κύματος, μέθοδοι περίθλασης φωτο-και ακτίνων Χ, μέθοδοι βασισμένες σε μαγνητοοπτική. επιδράσεις κ.λπ. Αυτές οι μέθοδοι καθιστούν δυνατή τη λήψη δομικών δεδομένων για το ηλεκτρόνιο, για τις θέσεις ισορροπίας και τα πλάτη των δονήσεων των πυρήνων μέσα και τον συμπυκνωτή. in-ve, σχετικά με το ενεργειακό σύστημα. επίπεδα και μεταβάσεις μεταξύ τους, σχετικά με τις αλλαγές στη γεωμ. διαμορφώσεις όταν το περιβάλλον ή τα μεμονωμένα κομμάτια του αλλάζουν, κ.λπ.
Μαζί με το έργο του συσχετισμού των ιδιοτήτων των ουσιών με τη σύγχρονη δομή τους. Η φυσική εμπλέκεται επίσης ενεργά στο αντίστροφο πρόβλημα της πρόβλεψης της δομής των ενώσεων με δεδομένες ιδιότητες.
Μια πολύ σημαντική πηγή πληροφοριών για τα χαρακτηριστικά τους σε διάφορα. καταστάσεις και χαρακτηριστικά της χημείας. Οι μετασχηματισμοί είναι τα αποτελέσματα της κβαντικής χημείας. υπολογισμούς. δίνει ένα σύστημα εννοιών και ιδεών που χρησιμοποιούνται στη φυσική κατά την εξέταση της συμπεριφοράς της χημείας. συνδέσεις ανά mol. επίπεδο και κατά τον καθορισμό συσχετισμών μεταξύ των χαρακτηριστικών που αποτελούν ένα είδος και των ιδιοτήτων αυτού του είδους. Χάρη στα αποτελέσματα της κβαντικής χημείας. υπολογισμοί επιφανειών χημικής δυναμικής ενέργειας. συστήματα σε διάφορα και πειραματιστείτε. Οι δυνατότητες των τελευταίων ετών, κυρίως η ανάπτυξη, η φυσική επιστήμη έχουν πλησιάσει σε μια ολοκληρωμένη μελέτη της ιερής σύνδεσης. σε διεγερμένες και έντονα διεγερμένες καταστάσεις, στην ανάλυση των δομικών χαρακτηριστικών της σύνδεσης. σε τέτοιες καταστάσεις και τις ιδιαιτερότητες της εκδήλωσης αυτών των χαρακτηριστικών στη δυναμική των χημικών. μεταμορφώσεις.
Ο περιορισμός του συμβατικού είναι ότι επιτρέπει σε κάποιον να περιγράφει μόνο καταστάσεις ισορροπίας και αναστρέψιμες διεργασίες. Οι πραγματικές μη αναστρέψιμες διεργασίες είναι το αντικείμενο της θεωρίας που προέκυψε στη δεκαετία του '30. 20ος αιώνας . Αυτός ο τομέας της φυσικής μελετά μακροσκοπικά φαινόμενα χωρίς ισορροπία. συστήματα στα οποία ο ρυθμός εμφάνισης τοπικά παραμένει σταθερός (τέτοια συστήματα είναι τοπικά κοντά στην ισορροπία). Σας επιτρέπει να εξετάσετε τα συστήματα με χημικά r-ιόντα και μεταφορά μάζας (), θερμότητας, ηλεκτρικής ενέργειας. χρεώσεις κ.λπ.
μελετά χημικούς μετασχηματισμούς. σε χρόνο, δηλαδή χημική ταχύτητα. r-tions, τους μηχανισμούς αυτών των μετασχηματισμών, καθώς και την εξάρτηση της χημικής ουσίας. διαδικασία από τις προϋποθέσεις εφαρμογής του. Καθιερώνει πρότυπα προδοσίαςαλλαγές στη σύνθεση του συστήματος μετασχηματισμού με την πάροδο του χρόνου, αποκαλύπτει τη σύνδεση μεταξύ του ρυθμού της χημικής ουσίας. r-tion και εξωτερικές συνθήκες, και επίσης μελετά παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα και την κατεύθυνση των χημικών αντιδράσεων. συνοικίες.
Τα περισσότερα χημ. Το p-tion είναι μια πολύπλοκη διαδικασία πολλαπλών σταδίων που αποτελείται από μεμονωμένες στοιχειώδεις χημικές ουσίες. μετατροπή, μεταφορά και μεταφορά ενέργειας. Θεωρητικός χημ. Η κινητική περιλαμβάνει τη μελέτη των μηχανισμών των στοιχειωδών διεργασιών και πραγματοποιεί υπολογισμούς τέτοιων διαδικασιών με βάση τις ιδέες και τη συσκευή της κλασικής. μηχανική και κβαντική θεωρία, ασχολείται με την κατασκευή μοντέλων σύνθετης χημείας. διεργασίες, δημιουργεί μια σύνδεση μεταξύ της δομής των χημικών. ενώσεις και τις αντιδράσεις τους. ικανότητα. Προσδιορισμός κινητικής Τα μοτίβα για πολύπλοκες διεργασίες (τυπική κινητική) βασίζονται συχνά στα μαθηματικά. και σας επιτρέπει να δοκιμάσετε υποθέσεις σχετικά με τους μηχανισμούς πολύπλοκων διαδικασιών, καθώς και να δημιουργήσετε ένα σύστημα διαφορών. εξισώσεις που περιγράφουν τα αποτελέσματα της διαδικασίας υπό διαφορετικές συνθήκες. εσωτ. συνθήκες.
Για χημ. κινητική χαρακτηρίζεται από τη χρήση πολλών φυσικών. ερευνητικές μέθοδοι που καθιστούν δυνατή τη διεξαγωγή τοπικών διεγέρσεων των αντιδρώντων, τη μελέτη γρήγορων (έως femtosecond) μετασχηματισμών, την αυτοματοποίηση της καταγραφής της κινητικής. δεδομένα με την ταυτόχρονη επεξεργασία τους σε υπολογιστή κλπ. Η κινητική συσσώρευση συσσωρεύεται εντατικά. πληροφορία μέσω κινητικής , συμπεριλαμβανομένου για χημ. r-tions σε ακραίες συνθήκες.
Ένας πολύ σημαντικός κλάδος της φυσικής, στενά συνδεδεμένος με τη χημεία. Η κινητική είναι η μελέτη, δηλ., των αλλαγών στην ταχύτητα και την κατεύθυνση της χημείας. r-tion όταν εκτίθεται σε ουσίες (
Το περιεχόμενο του άρθρου
ΦΥΣΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ,ένας κλάδος της χημείας που μελετά τις χημικές ιδιότητες των ουσιών με βάση τις φυσικές ιδιότητες των συστατικών ατόμων και μορίων τους. Η σύγχρονη φυσική χημεία είναι ένα ευρύ διεπιστημονικό πεδίο που συνορεύει με διάφορους κλάδους της φυσικής, της βιοφυσικής και της μοριακής βιολογίας. Έχει πολλά σημεία επαφής με κλάδους της χημικής επιστήμης όπως η οργανική και η ανόργανη χημεία.
Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της χημικής προσέγγισης (σε αντίθεση με τη φυσική και τη βιολογική) είναι ότι στο πλαίσιο της, μαζί με την περιγραφή των μακροσκοπικών φαινομένων, εξηγείται η φύση τους με βάση τις ιδιότητες των επιμέρους μορίων και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους.
Νέες οργανικές και μεθοδολογικές εξελίξεις στον τομέα της φυσικής χημείας χρησιμοποιούνται σε άλλους κλάδους της χημείας και συναφών επιστημών, όπως η φαρμακολογία και η ιατρική. Παραδείγματα περιλαμβάνουν ηλεκτροχημικές μεθόδους, φασματοσκοπία υπερύθρου (IR) και υπεριώδους (UV), τεχνικές λέιζερ και μαγνητικού συντονισμού, οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως στη θεραπεία και για τη διάγνωση διαφόρων ασθενειών.
Οι κύριοι κλάδοι της φυσικής χημείας θεωρούνται παραδοσιακά: 1) χημική θερμοδυναμική. 2) κινητική θεωρία και στατιστική θερμοδυναμική. 3) ερωτήσεις σχετικά με τη δομή των μορίων και τη φασματοσκοπία. 4) χημική κινητική.
Χημική θερμοδυναμική.
Η χημική θερμοδυναμική σχετίζεται άμεσα με την εφαρμογή της θερμοδυναμικής - της επιστήμης της θερμότητας και των μετασχηματισμών της - στο πρόβλημα της χημικής ισορροπίας. Η ουσία του προβλήματος διατυπώνεται ως εξής: εάν υπάρχει ένα μείγμα αντιδραστηρίων (σύστημα) και είναι γνωστές οι φυσικές συνθήκες στις οποίες βρίσκεται (θερμοκρασία, πίεση, όγκος), τότε ποιες αυθόρμητες χημικές και φυσικές διεργασίες μπορούν να φέρουν αυτό το σύστημα στην ισορροπία; Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής λέει ότι η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας και ότι η συνολική ενέργεια ενός συστήματος (μαζί με το περιβάλλον του) παραμένει σταθερή. Έτσι, αυτός ο νόμος είναι μια από τις μορφές του νόμου της διατήρησης της ενέργειας. Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, μια αυθόρμητη διαδικασία οδηγεί σε αύξηση της συνολικής εντροπίας του συστήματος και του περιβάλλοντος του. Η εντροπία είναι ένα μέτρο της ποσότητας ενέργειας που ένα σύστημα δεν μπορεί να ξοδέψει για να κάνει χρήσιμη εργασία. Ο δεύτερος νόμος υποδεικνύει την κατεύθυνση προς την οποία θα πάει μια αντίδραση χωρίς εξωτερικές επιρροές. Για να αλλάξετε τη φύση μιας αντίδρασης (για παράδειγμα, την κατεύθυνση της), πρέπει να ξοδέψετε ενέργεια με τη μία ή την άλλη μορφή. Θέτει έτσι αυστηρά όρια στην ποσότητα της εργασίας που μπορεί να γίνει με τη μετατροπή της θερμότητας ή της χημικής ενέργειας που απελευθερώνεται σε μια αναστρέψιμη διαδικασία.
Οφείλουμε σημαντικά επιτεύγματα στη χημική θερμοδυναμική στον J. Gibbs, ο οποίος έθεσε τα θεωρητικά θεμέλια αυτής της επιστήμης, η οποία κατέστησε δυνατό να συνδυαστούν σε ένα ενιαίο σύνολο τα αποτελέσματα που προέκυψαν από πολλούς ερευνητές της προηγούμενης γενιάς. Στο πλαίσιο της προσέγγισης που ανέπτυξε ο Gibbs, δεν γίνονται υποθέσεις για τη μικροσκοπική δομή της ύλης, αλλά λαμβάνονται υπόψη οι ιδιότητες ισορροπίας των συστημάτων σε μακροεπίπεδο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μπορούμε να σκεφτούμε ότι ο πρώτος και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής είναι καθολικοί και θα παραμείνουν σε ισχύ ακόμη και όταν μαθαίνουμε πολύ περισσότερα για τις ιδιότητες των μορίων και των ατόμων.
Κινητική θεωρία και στατιστική θερμοδυναμική.
Η στατιστική θερμοδυναμική (όπως η κβαντομηχανική) μας επιτρέπει να προβλέψουμε τη θέση ισορροπίας για ορισμένες αντιδράσεις στην αέρια φάση. Χρησιμοποιώντας την κβαντομηχανική προσέγγιση, είναι δυνατό να περιγραφεί η συμπεριφορά σύνθετων μορίων ενός αριθμού ουσιών σε υγρή και στερεή κατάσταση. Ωστόσο, υπάρχουν αντιδράσεις των οποίων οι ρυθμοί δεν μπορούν να υπολογιστούν ούτε στο πλαίσιο της κινητικής θεωρίας ούτε με τη χρήση στατιστικής θερμοδυναμικής.
Η πραγματική επανάσταση στην κλασική στατιστική θερμοδυναμική συνέβη στη δεκαετία του '70 του 20ού αιώνα. Νέες έννοιες όπως η καθολικότητα (η ιδέα ότι τα μέλη ορισμένων ευρειών κατηγοριών ενώσεων έχουν τις ίδιες ιδιότητες) και η αρχή της ομοιότητας (η εκτίμηση άγνωστων ποσοτήτων με βάση γνωστά κριτήρια) επέτρεψαν την καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς των υγρών κοντά στο κρίσιμο σημείο όπου η διαφορά μεταξύ υγρού και αερίου. Με χρήση υπολογιστή, προσομοιώθηκαν οι ιδιότητες απλών (υγρό αργό) και σύνθετων (νερό και αλκοόλ) υγρών σε κρίσιμη κατάσταση. Πιο πρόσφατα, οι ιδιότητες των υγρών όπως το υγρό ήλιο (η συμπεριφορά του οποίου περιγράφεται τέλεια στο πλαίσιο της κβαντομηχανικής) και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια σε μοριακά υγρά έχουν μελετηθεί εκτενώς χρησιμοποιώντας υπολογιστική μοντελοποίηση ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ. Αυτό μας επέτρεψε να κατανοήσουμε καλύτερα τις ιδιότητες των συνηθισμένων υγρών. Οι μέθοδοι υπολογιστών, σε συνδυασμό με τις τελευταίες θεωρητικές εξελίξεις, χρησιμοποιούνται εντατικά για τη μελέτη της συμπεριφοράς διαλυμάτων, πολυμερών, μικκυλίων (ειδικά κολλοειδή σωματίδια), πρωτεϊνών και ιοντικών διαλυμάτων. Για την επίλυση προβλημάτων στη φυσική χημεία, ιδιαίτερα για την περιγραφή ορισμένων ιδιοτήτων συστημάτων σε κρίσιμη κατάσταση και τη μελέτη θεμάτων στη φυσική υψηλής ενέργειας, χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο η μαθηματική μέθοδος της ομάδας επανακανονικοποίησης.
Μοριακή δομή και φασματοσκοπία.
Οργανικοί χημικοί του 19ου αιώνα. ανέπτυξε απλούς κανόνες για τον προσδιορισμό του σθένους (ικανότητα συνδυασμού) πολλών χημικών στοιχείων. Για παράδειγμα, βρήκαν ότι το σθένος του άνθρακα είναι 4 (ένα άτομο άνθρακα μπορεί να συνδέσει τέσσερα άτομα υδρογόνου για να σχηματίσει ένα μόριο μεθανίου CH 4), οξυγόνο - 2, υδρογόνο - 1. Με βάση εμπειρικές έννοιες που βασίζονται σε πειραματικά δεδομένα, έγιναν υποθέσεις σχετικά με τα άτομα χωρικής διάταξης στα μόρια (για παράδειγμα, το μόριο μεθανίου έχει τετραεδρική δομή, με το άτομο άνθρακα να βρίσκεται στο κέντρο της τριγωνικής πυραμίδας και το υδρογόνο στις τέσσερις κορυφές της). Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση δεν επέτρεψε την αποκάλυψη του μηχανισμού σχηματισμού χημικών δεσμών και επομένως την εκτίμηση των μεγεθών των μορίων ή τον προσδιορισμό της ακριβούς απόστασης μεταξύ των ατόμων.
Χρησιμοποιώντας φασματοσκοπικές μεθόδους που αναπτύχθηκαν τον 20ο αιώνα, προσδιορίστηκε η δομή των μορίων του νερού (H 2 O ), του αιθανίου ( C 2 H 6 ) και στη συνέχεια πολύ πιο πολύπλοκων μορίων όπως οι πρωτεΐνες. Οι μέθοδοι φασματοσκοπίας μικροκυμάτων (EPR, NMR) και περίθλασης ηλεκτρονίων κατέστησαν δυνατό τον προσδιορισμό των μηκών των δεσμών, των γωνιών μεταξύ τους (γωνίες δεσμών) και των σχετικών θέσεων των ατόμων σε απλά μόρια και της ανάλυσης περίθλασης ακτίνων Χ - παρόμοιες παραμέτρους για μεγαλύτερα μόρια που σχηματίζουν μοριακούς κρυστάλλους. Η σύνταξη καταλόγων μοριακών δομών και η χρήση απλών εννοιών σθένους έθεσαν τα θεμέλια της δομικής χημείας (ο πρωτοπόρος της ήταν ο L. Pauling) και κατέστησε δυνατή τη χρήση μοριακών μοντέλων για την εξήγηση πολύπλοκων φαινομένων σε μοριακό επίπεδο. Εάν τα μόρια δεν είχαν συγκεκριμένη δομή ή αν οι παράμετροι των δεσμών C-C και C-H στα χρωμοσώματα ήταν πολύ διαφορετικές από εκείνες στα μόρια μεθανίου ή αιθανίου, τότε χρησιμοποιώντας απλά γεωμετρικά μοντέλα, οι J. Watson και F. Crick θα δεν ήταν σε θέση να κατασκευάσει στις αρχές της δεκαετίας του 1950 τη διάσημη διπλή έλικα του - ένα μοντέλο δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος (DNA). Μελετώντας τις δονήσεις των ατόμων στα μόρια χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία IR και UV, κατέστη δυνατό να προσδιοριστεί η φύση των δυνάμεων που συγκρατούν τα άτομα στη σύνθεση των μορίων, η οποία, με τη σειρά της, πρότεινε την παρουσία ενδομοριακής κίνησης και κατέστησε δυνατή τη μελέτη οι θερμοδυναμικές ιδιότητες των μορίων ( βλέπε παραπάνω). Αυτό ήταν το πρώτο βήμα προς τον προσδιορισμό των ρυθμών των χημικών αντιδράσεων. Περαιτέρω, οι φασματοσκοπικές μελέτες στην περιοχή της υπεριώδους ακτινοβολίας βοήθησαν στη δημιουργία του μηχανισμού σχηματισμού χημικών δεσμών σε ηλεκτρονικό επίπεδο, ο οποίος κατέστησε δυνατή την περιγραφή χημικών αντιδράσεων με βάση την έννοια της μετάβασης των αντιδραστηρίων σε μια διεγερμένη κατάσταση (συχνά υπό την επίδραση ορατού ή υπεριώδες φως). Ακόμη και ένα ολόκληρο επιστημονικό πεδίο προέκυψε - η φωτοχημεία. Η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) επέτρεψε στους χημικούς να μελετήσουν μεμονωμένα στάδια πολύπλοκων χημικών διεργασιών και να εντοπίσουν ενεργές θέσεις σε μόρια ενζύμων. Αυτή η μέθοδος κατέστησε επίσης δυνατή τη λήψη τρισδιάστατων εικόνων άθικτων κυττάρων και μεμονωμένων οργάνων. ΦΩΤΟΧΗΜΕΙΑ.
Θεωρία σθένους.
Χρησιμοποιώντας τους εμπειρικούς κανόνες σθένους που αναπτύχθηκαν από οργανικούς χημικούς, τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων και το πλανητικό μοντέλο του ατόμου του Rutherford, ο G. Lewis διαπίστωσε ότι το κλειδί για την κατανόηση του χημικού δεσμού είναι η ηλεκτρονική δομή μιας ουσίας. Ο Lewis κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ένας ομοιοπολικός δεσμός σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της κοινής χρήσης ηλεκτρονίων που ανήκουν σε διαφορετικά άτομα. Ταυτόχρονα, προχώρησε από την ιδέα ότι τα συνδετικά ηλεκτρόνια βρίσκονται σε αυστηρά καθορισμένα κελύφη ηλεκτρονίων. Η κβαντική θεωρία καθιστά δυνατή την πρόβλεψη της δομής των μορίων και της φύσης των ομοιοπολικών δεσμών που σχηματίζονται στην πιο γενική περίπτωση.
Οι ιδέες μας για τη δομή της ύλης, που σχηματίστηκαν χάρη στις επιτυχίες της κβαντικής φυσικής στο πρώτο τέταρτο του 20ου αιώνα, μπορούν να συνοψιστούν εν συντομία ως εξής. Η δομή ενός ατόμου καθορίζεται από την ισορροπία των ηλεκτρικών δυνάμεων απώθησης (μεταξύ ηλεκτρονίων) και έλξης (μεταξύ ηλεκτρονίων και θετικά φορτισμένου πυρήνα). Σχεδόν όλη η μάζα ενός ατόμου συγκεντρώνεται στον πυρήνα και το μέγεθός του καθορίζεται από την ποσότητα του χώρου που καταλαμβάνουν τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από τους πυρήνες. Τα μόρια αποτελούνται από σχετικά σταθερούς πυρήνες που συγκρατούνται μεταξύ τους από ταχέως κινούμενα ηλεκτρόνια, έτσι ώστε όλες οι χημικές ιδιότητες των ουσιών να μπορούν να εξηγηθούν με βάση την ιδέα της ηλεκτρικής αλληλεπίδρασης των στοιχειωδών σωματιδίων που αποτελούν άτομα και μόρια. Έτσι, οι κύριες διατάξεις της κβαντικής μηχανικής σχετικά με τη δομή των μορίων και το σχηματισμό χημικών δεσμών δημιουργούν τη βάση για μια εμπειρική περιγραφή της ηλεκτρονικής δομής της ύλης, της φύσης των χημικών δεσμών και της αντιδραστικότητας ατόμων και μορίων.
Με την εμφάνιση των υπολογιστών υψηλής ταχύτητας, κατέστη δυνατός ο υπολογισμός (με χαμηλή, αλλά επαρκής ακρίβεια) των δυνάμεων που δρουν μεταξύ των ατόμων σε μικρά πολυατομικά μόρια. Η θεωρία σθένους, που βασίζεται σε μοντελοποίηση υπολογιστή, είναι επί του παρόντος ένα εργαλείο εργασίας για τη μελέτη των δομών, της φύσης των χημικών δυνάμεων και των αντιδράσεων σε περιπτώσεις όπου η διεξαγωγή πειραμάτων είναι δύσκολη ή χρονοβόρα. Αυτό αναφέρεται στη μελέτη των ελεύθερων ριζών που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα και στις φλόγες ή σχηματίζονται ως ενδιάμεσα αντίδρασης. Υπάρχει ελπίδα ότι κάποια μέρα μια θεωρία που βασίζεται σε υπολογισμούς υπολογιστών θα μπορέσει να απαντήσει στο ερώτημα: πώς, σε μια εποχή της τάξης των πικοδευτερολέπτων, οι χημικές δομές «υπολογίζουν» την πιο σταθερή κατάστασή τους, ενώ θα λαμβάνουν τις αντίστοιχες εκτιμήσεις, τουλάχιστον σε ορισμένους προσέγγιση, απαιτεί τεράστιο αριθμό χρόνου μηχανής.
Χημική κινητική
μελετά τον μηχανισμό των χημικών αντιδράσεων και καθορίζει τους ρυθμούς τους. Σε μακροσκοπικό επίπεδο, μια αντίδραση μπορεί να αναπαρασταθεί ως διαδοχικοί μετασχηματισμοί, κατά τους οποίους σχηματίζονται άλλες από μια ουσία. Για παράδειγμα, η φαινομενικά απλή μεταμόρφωση
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O
στην πραγματικότητα αποτελείται από πολλά διαδοχικά στάδια:
H + O 2 → OH + O
O + H 2 → HO + H
H + O 2 → HO 2
HO 2 + H 2 → H 2 O + OH
και καθένα από αυτά χαρακτηρίζεται από τη δική του σταθερά ρυθμού κ. Ο S. Arrhenius πρότεινε ότι η απόλυτη θερμοκρασία Τκαι σταθερά ταχύτητα αντίδρασης κπου σχετίζονται με τη σχέση κ = ΕΝΑ exp(- μιΥποκρίνομαι)/ RT, Οπου ΕΝΑ– προεκθετικός παράγοντας (ο λεγόμενος συντελεστής συχνότητας), μιπράξη – ενέργεια ενεργοποίησης, R– σταθερά αερίου. Για μέτρηση κΚαι ΤΧρειαζόμαστε όργανα που μας επιτρέπουν να παρακολουθούμε γεγονότα που συμβαίνουν σε μια περίοδο περίπου 10–13 δευτερολέπτων, αφενός, και σε δεκαετίες (και ακόμη και χιλιετίες) από την άλλη (γεωλογικές διεργασίες). Είναι επίσης απαραίτητο να μπορούμε να μετράμε ελάχιστες συγκεντρώσεις εξαιρετικά ασταθών αντιδραστηρίων. Το έργο της χημικής κινητικής περιλαμβάνει επίσης την πρόβλεψη χημικών διεργασιών που συμβαίνουν σε πολύπλοκα συστήματα (μιλάμε για βιολογικές, γεωλογικές, ατμοσφαιρικές διεργασίες, καύση και χημική σύνθεση).
Για τη μελέτη των αντιδράσεων αέριας φάσης «στην καθαρή τους μορφή», χρησιμοποιείται η μέθοδος της μοριακής δέσμης. Σε αυτή την περίπτωση, μόρια με αυστηρά καθορισμένες κβαντικές καταστάσεις αντιδρούν για να σχηματίσουν προϊόντα που βρίσκονται επίσης σε ορισμένες κβαντικές καταστάσεις. Τέτοια πειράματα παρέχουν πληροφορίες για τις δυνάμεις που καθορίζουν την εμφάνιση ορισμένων αντιδράσεων. Για παράδειγμα, σε μια διάταξη μοριακής δέσμης, μπορείτε να προσανατολίσετε ακόμη και μικρά μόρια όπως το CH 3 I με συγκεκριμένο τρόπο και να μετρήσετε τους ρυθμούς σύγκρουσης σε δύο «διαφορετικές» αντιδράσεις:
K + ICH 3 → KI + CH 3
K + CH 3 I → KI + CH 3
όπου η ομάδα CH 3 προσανατολίζεται διαφορετικά σε σχέση με το άτομο καλίου που πλησιάζει.
Ένα από τα θέματα που ασχολείται η φυσική χημεία (όπως και η χημική φυσική) είναι ο υπολογισμός των σταθερών ρυθμού αντίδρασης. Η θεωρία της μεταβατικής κατάστασης, που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1930, η οποία χρησιμοποιεί θερμοδυναμικές και δομικές παραμέτρους, χρησιμοποιείται ευρέως εδώ. Αυτή η θεωρία, σε συνδυασμό με τις μεθόδους της κλασικής φυσικής και της κβαντικής μηχανικής, καθιστά δυνατή την προσομοίωση της πορείας μιας αντίδρασης σαν να συνέβαινε υπό πειραματικές συνθήκες με μοριακές δέσμες. Διεξάγονται πειράματα σχετικά με τη διέγερση με λέιζερ ορισμένων χημικών δεσμών, τα οποία καθιστούν δυνατή την επαλήθευση της ορθότητας των στατιστικών θεωριών για την καταστροφή των μορίων. Αναπτύσσονται θεωρίες που γενικεύουν τις σύγχρονες φυσικές και μαθηματικές έννοιες χαοτικών διεργασιών (για παράδειγμα, αναταράξεις). Δεν είμαστε πλέον τόσο μακριά από την πλήρη κατανόηση της φύσης των ενδο- και των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων, την αποκάλυψη του μηχανισμού των αντιδράσεων που συμβαίνουν σε επιφάνειες με δεδομένες ιδιότητες και τη δημιουργία της δομής των καταλυτικών κέντρων των ενζύμων και των συμπλεγμάτων μετάλλων μετάπτωσης. Σε μικροσκοπικό επίπεδο, μπορεί να σημειωθεί εργασία σχετικά με την κινητική του σχηματισμού πολύπλοκων δομών όπως οι νιφάδες χιονιού ή οι δενδρίτες (κρύσταλλοι με δομή που μοιάζει με δέντρο), η οποία προκάλεσε την ανάπτυξη μοντελοποίησης υπολογιστή με βάση απλά μοντέλα της θεωρίας της μη γραμμικής δυναμικής ; Αυτό ανοίγει προοπτικές για τη δημιουργία νέων προσεγγίσεων για την περιγραφή της δομής και των διαδικασιών ανάπτυξης πολύπλοκων συστημάτων.
Η ταξινόμηση των επιστημών βασίζεται στην ταξινόμηση των μορφών κίνησης της ύλης και των σχέσεων και των διαφορών τους. Επομένως, για να σκιαγραφηθούν τα όρια της φυσικής χημείας με έναν αριθμό κλάδων της φυσικής και της χημείας, θα πρέπει κανείς να εξετάσει τη σύνδεση και τη διαφορά μεταξύ των χημικών και φυσικών μορφών κίνησης.
Η χημική μορφή της κίνησης, δηλαδή η χημική διεργασία, χαρακτηρίζεται από μια αλλαγή στον αριθμό και τη διάταξη των ατόμων στο μόριο των ουσιών που αντιδρούν. Ανάμεσα σε πολλά φυσικές μορφές κίνησης (ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, κίνηση και μετασχηματισμοί στοιχειωδών σωματιδίων, φυσική ατομικών πυρήνων κ.λπ.) έχει ιδιαίτερα στενή σχέση με χημικές διεργασίες ενδομοριακή μορφή κίνησης (δονήσεις σε ένα μόριο, ηλεκτρονική διέγερση και ιονισμός του). Η απλούστερη χημική διαδικασία - η στοιχειώδης πράξη της θερμικής διάστασης ενός μορίου - συμβαίνει με αύξηση της έντασης (πλάτους και ενέργειας) των δονήσεων στο μόριο, ειδικά των δονήσεων των πυρήνων κατά μήκος του δεσμού σθένους μεταξύ τους. Η επίτευξη μιας γνωστής κρίσιμης τιμής της ενέργειας δόνησης προς την κατεύθυνση ενός συγκεκριμένου δεσμού σε ένα μόριο οδηγεί στη ρήξη αυτού του δεσμού και στη διάσπαση του μορίου σε δύο μέρη.
Πιο πολύπλοκες αντιδράσεις που περιλαμβάνουν πολλά (συνήθως δύο) μόρια μπορούν να θεωρηθούν ως ο συνδυασμός δύο μορίων κατά τη σύγκρουσή τους σε ένα εύθραυστο και βραχύβιο σύμπλοκο (το λεγόμενο ενεργό σύμπλεγμα) και η ταχεία καταστροφή αυτού του συμπλέγματος σε νέα μόρια, καθώς αυτό το σύμπλεγμα αποδεικνύεται ασταθές κατά τη διάρκεια των εσωτερικών δονήσεων μέσω ορισμένων συνδέσεων.
Έτσι, μια στοιχειώδης χημική πράξη είναι ένα ειδικό, κρίσιμο σημείο στη δονητική κίνηση των μορίων. Το τελευταίο από μόνο του δεν μπορεί να θεωρηθεί χημική κίνηση, αλλά αποτελεί τη βάση για πρωτογενείς χημικές διεργασίες.
Για τον χημικό μετασχηματισμό σημαντικών μαζών ύλης, δηλαδή πολλών μορίων, είναι απαραίτητες οι συγκρούσεις μορίων και η ανταλλαγή ενεργειών μεταξύ τους (μεταφορά ενέργειας κίνησης μορίων προϊόντων αντίδρασης σε μόρια αρχικών ουσιών μέσω συγκρούσεων). Έτσι, η πραγματική χημική διαδικασία σχετίζεται στενά με τη δεύτερη φυσική μορφή κίνησης - χαοτική κίνηση μορίων μακροσκοπικών σωμάτων, η οποία συχνά ονομάζεται θερμική κίνηση.
Οι αμοιβαίες σχέσεις της χημικής μορφής κίνησης με δύο φυσικές μορφές κίνησης περιγράφονται παραπάνω συνοπτικά και με τους πιο γενικούς όρους. Προφανώς υπάρχουν οι ίδιες συνδέσεις μεταξύ της χημικής διεργασίας και της ακτινοβολίας της κίνησης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, με τον ιονισμό ατόμων και μορίων (ηλεκτροχημεία) κ.λπ.
Δομή της ύλης . Αυτή η ενότητα περιλαμβάνει τη δομή των ατόμων, τη δομή των μορίων και τη μελέτη των καταστάσεων συσσωμάτωσης.
Η μελέτη της δομής των ατόμων έχει να κάνει περισσότερο με τη φυσική παρά με τη φυσική χημεία. Αυτό το δόγμα είναι η βάση για τη μελέτη της δομής των μορίων.
Η μελέτη της δομής των μορίων εξετάζει τη γεωμετρία των μορίων, τις ενδομοριακές κινήσεις και τις δυνάμεις που δεσμεύουν τα άτομα σε ένα μόριο. Σε πειραματικές μελέτες της δομής των μορίων, η μέθοδος της μοριακής φασματοσκοπίας (συμπεριλαμβανομένης της ραδιοφασματοσκοπίας) χρησιμοποιείται ευρέως· χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως ηλεκτρικές, ραδιογραφικές, μαγνητικές και άλλες μέθοδοι.
Η μελέτη των καταστάσεων συσσωμάτωσης εξετάζει τις αλληλεπιδράσεις των μορίων σε αέρια, υγρά και κρυστάλλους, καθώς και τις ιδιότητες των ουσιών σε διάφορες καταστάσεις συσσωμάτωσης. Αυτός ο κλάδος της επιστήμης, που είναι πολύ σημαντικός για τη φυσική χημεία, μπορεί να θεωρηθεί μέρος της φυσικής (μοριακή φυσική).
Ολόκληρη η ενότητα για τη δομή της ύλης μπορεί επίσης να θεωρηθεί μέρος της φυσικής.
Χημική θερμοδυναμική . Σε αυτή την ενότητα, με βάση τους νόμους της γενικής θερμοδυναμικής, παρουσιάζονται οι νόμοι της χημικής ισορροπίας και το δόγμα της ισορροπίας φάσης, που συνήθως ονομάζεται κανόνας φάσης. Μέρος της χημικής θερμοδυναμικής είναι θερμοχημεία,που ασχολείται με τις θερμικές επιδράσεις των χημικών αντιδράσεων.
Η μελέτη των διαλυμάτων έχει ως στόχο να εξηγήσει και να προβλέψει τις ιδιότητες των διαλυμάτων (ομογενή μείγματα πολλών ουσιών) με βάση τις ιδιότητες των ουσιών που συνθέτουν το διάλυμα.
Η λύση σε αυτό το πρόβλημα απαιτεί την κατασκευή μιας γενικής θεωρίας της αλληλεπίδρασης ανόμοιων μορίων, δηλαδή τη λύση στο κύριο πρόβλημα της μοριακής φυσικής. Για την ανάπτυξη της γενικής θεωρίας και των ειδικών γενικεύσεων, μελετάται η μοριακή δομή των διαλυμάτων και οι διάφορες ιδιότητές τους ανάλογα με τη σύσταση.
Το δόγμα των επιφανειακών φαινομένων . Μελετώνται διάφορες ιδιότητες επιφανειακών στρωμάτων στερεών και υγρών (διεπαφές μεταξύ φάσεων). ένα από τα κύρια φαινόμενα που μελετώνται στα επιφανειακά στρώματα είναι προσρόφηση(συσσώρευση ουσιών στο επιφανειακό στρώμα).
Σε συστήματα όπου οι διεπαφές μεταξύ υγρών, στερεών και αέριων φάσεων είναι πολύ ανεπτυγμένες (κολλοειδή διαλύματα, γαλακτώματα, νέφη, αναθυμιάσεις), οι ιδιότητες των επιφανειακών στρωμάτων αποκτούν πρωταρχική σημασία και καθορίζουν πολλές από τις μοναδικές ιδιότητες ολόκληρου του συστήματος στο σύνολό του. . Τέτοιος μικροετερογενήςσυστήματα μελετώνται κολλοειδή χημεία,που είναι ένα μεγάλο ανεξάρτητο τμήμα της φυσικής χημείας και ένας ανεξάρτητος ακαδημαϊκός κλάδος σε χημικά ανώτατα εκπαιδευτικά ιδρύματα.
Ηλεκτροχημεία. Μελετάται η αλληλεπίδραση ηλεκτρικών φαινομένων και χημικών αντιδράσεων (ηλεκτρόλυση, χημικές πηγές ηλεκτρικού ρεύματος, θεωρία ηλεκτροσύνθεσης). Η Ηλεκτροχημεία περιλαμβάνει συνήθως τη μελέτη των ιδιοτήτων των διαλυμάτων ηλεκτρολυτών, η οποία μπορεί εξίσου δικαίως να αποδοθεί στη μελέτη των διαλυμάτων.
Χημική κινητική και κατάλυση . Μελετάται ο ρυθμός των χημικών αντιδράσεων, η εξάρτηση του ρυθμού αντίδρασης από τις εξωτερικές συνθήκες (πίεση, θερμοκρασία, ηλεκτρική εκκένωση κ.λπ.), η σχέση του ρυθμού αντίδρασης με τη δομή και τις ενεργειακές καταστάσεις των μορίων, η επίδραση στον ρυθμό αντίδρασης των ουσιών που δεν συμμετέχουν στη στοιχειομετρική εξίσωση αντίδρασης (κατάλυση).
Φωτοχημεία. Μελετάται η αλληλεπίδραση ακτινοβολίας και ουσιών που εμπλέκονται σε χημικούς μετασχηματισμούς (αντιδράσεις που συμβαίνουν υπό την επίδραση της ακτινοβολίας, για παράδειγμα, φωτογραφικές διεργασίες και φωτοσύνθεση, φωταύγεια). Η φωτοχημεία σχετίζεται στενά με τη χημική κινητική και τη μελέτη της δομής των μορίων.
Ο παραπάνω κατάλογος των κύριων τμημάτων της φυσικής χημείας δεν καλύπτει ορισμένες περιοχές που εμφανίστηκαν πρόσφατα και μικρότερες ενότητες αυτής της επιστήμης, οι οποίες μπορούν να θεωρηθούν ως τμήματα μεγαλύτερων τμημάτων ή ως ανεξάρτητα τμήματα της φυσικής χημείας. Αυτά είναι, για παράδειγμα, η χημεία ακτινοβολίας, η φυσική χημεία ουσιών υψηλής μοριακής απόδοσης, η μαγνητοχημεία, η ηλεκτροχημεία αερίων και άλλοι κλάδοι της φυσικής χημείας. Η σημασία ορισμένων από αυτές αυξάνεται επί του παρόντος ραγδαία.
Μέθοδοι φυσικής και χημικής έρευνας
Οι βασικές μέθοδοι της φυσικής χημείας είναι, φυσικά, οι μέθοδοι της φυσικής και της χημείας. Αυτή είναι, πρώτα απ 'όλα, μια πειραματική μέθοδος - η μελέτη της εξάρτησης των ιδιοτήτων των ουσιών από τις εξωτερικές συνθήκες και η πειραματική μελέτη των νόμων της εμφάνισης χημικών αντιδράσεων με την πάροδο του χρόνου και των νόμων της χημικής ισορροπίας.
Η θεωρητική κατανόηση του πειραματικού υλικού και η δημιουργία ενός συνεκτικού συστήματος γνώσης των ιδιοτήτων των ουσιών και των νόμων των χημικών αντιδράσεων βασίζεται στις ακόλουθες μεθόδους της θεωρητικής φυσικής.
Κβαντομηχανική μέθοδος (ιδιαίτερα, η μέθοδος της κυματομηχανικής), η οποία βασίζεται στο δόγμα της δομής και των ιδιοτήτων μεμονωμένων ατόμων και μορίων και της αλληλεπίδρασής τους μεταξύ τους. Γεγονότα που σχετίζονται με τις ιδιότητες μεμονωμένων μορίων λαμβάνονται κυρίως με πειραματικές οπτικές μεθόδους.
Μέθοδος στατιστικής φυσικής , που καθιστά δυνατό τον υπολογισμό των ιδιοτήτων μιας ουσίας. που αποτελείται από πολλά μόρια («μακροσκοπικές» ιδιότητες), με βάση πληροφορίες για τις ιδιότητες μεμονωμένων μορίων.
Θερμοδυναμική μέθοδος , που καθιστά δυνατή την ποσοτική συσχέτιση διαφόρων ιδιοτήτων μιας ουσίας («μακροσκοπικές» ιδιότητες) και τον υπολογισμό ορισμένων από αυτές τις ιδιότητες με βάση τις πειραματικές τιμές άλλων ιδιοτήτων.
Η σύγχρονη φυσική και χημική έρευνα σε οποιοδήποτε συγκεκριμένο τομέα χαρακτηρίζεται από τη χρήση ποικίλων πειραματικών και θεωρητικών μεθόδων για τη μελέτη των διαφόρων ιδιοτήτων των ουσιών και τη διαλεύκανση της σχέσης τους με τη δομή των μορίων. Ολόκληρο το σύνολο δεδομένων και οι παραπάνω θεωρητικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται για την επίτευξη του κύριου στόχου - να διευκρινιστεί η εξάρτηση της κατεύθυνσης, της ταχύτητας και των ορίων των χημικών μετασχηματισμών από τις εξωτερικές συνθήκες και τη δομή των μορίων που συμμετέχουν στις χημικές αντιδράσεις.
ΦΥΣΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ
Αντικείμενο Φυσικοχημείας. Το νόημά του
Μελετά τη σχέση μεταξύ χημικών και φυσικών φαινομένων φυσική χημεία.Αυτός ο κλάδος της χημείας είναι το σύνορο μεταξύ χημείας και φυσικής. Χρησιμοποιώντας θεωρητικές και πειραματικές μεθόδους και των δύο επιστημών, καθώς και τις δικές της μεθόδους, η φυσική χημεία ασχολείται με μια πολύπλευρη μελέτη των χημικών αντιδράσεων και των φυσικών διεργασιών που τις συνοδεύουν. Εφόσον, ωστόσο, ακόμη και μια πολυμερής μελέτη δεν είναι ποτέ πλήρης και δεν καλύπτει το φαινόμενο εξαντλητικά, οι νόμοι και οι κανονικότητες της φυσικής χημείας, καθώς και άλλες φυσικές επιστήμες, απλοποιούν πάντα το φαινόμενο και δεν το αντικατοπτρίζουν πλήρως.
Η ταχεία ανάπτυξη και η αυξανόμενη σημασία της φυσικής χημείας συνδέονται με την οριακή της θέση μεταξύ της φυσικής και της χημείας. Το κύριο γενικό καθήκον της φυσικής χημείας είναι να προβλέψει τη χρονική πορεία της διαδικασίας και το τελικό αποτέλεσμα (κατάσταση ισορροπίας) κάτω από διάφορες συνθήκες με βάση δεδομένα για τη δομή και τις ιδιότητες των ουσιών που συνθέτουν το υπό μελέτη σύστημα.
Σύντομη περιγραφή της ιστορίας της ανάπτυξης της φυσικής χημείας
Ο όρος «φυσική χημεία» και ο ορισμός αυτής της επιστήμης δόθηκε για πρώτη φορά από τον M.V. Lomonosov, ο οποίος το 1752-1754. Δίδαξε ένα μάθημα φυσικής χημείας σε φοιτητές της Ακαδημίας Επιστημών και άφησε ένα χειρόγραφο για αυτό το μάθημα, «Εισαγωγή στην Αληθινή Φυσικοχημεία» (1752). Ο Lomonosov πραγματοποίησε πολλές μελέτες, τα θέματα των οποίων αντιστοιχούν στο "Σχέδιο για το μάθημα της φυσικής χημείας" (1752) και στο πρόγραμμα πειραματικών εργασιών "Experience in Physical Chemistry" (1754). Υπό την καθοδήγησή του, πραγματοποιήθηκε επίσης ένα μαθητικό εργαστήριο για τη φυσική χημεία.
Ο Lomonosov έδωσε τον ακόλουθο ορισμό της φυσικής χημείας: «Η φυσική χημεία είναι μια επιστήμη που εξηγεί, με βάση τις αρχές και τα πειράματα της φυσικής, τι συμβαίνει σε μικτά σώματα κατά τη διάρκεια χημικών εργασιών». Αυτός ο ορισμός είναι κοντά στον σύγχρονο.
Για την ανάπτυξη της φυσικής χημείας, η ανακάλυψη δύο νόμων της θερμοδυναμικής στα μέσα του 19ου αιώνα (S. Carnot, J. R. Mayer, G. Helmholtz, D. P. Joule, R. Clausius, W. Thomson) είχε μεγάλη σημασία.
Ο αριθμός και η ποικιλία της έρευνας στην περιοχή που συνορεύει μεταξύ της φυσικής και της χημείας αυξανόταν συνεχώς τον 19ο αιώνα. Αναπτύχθηκε η θερμοδυναμική θεωρία της χημικής ισορροπίας (K.M. Guldberg, P. Waage, D.W. Gibbs). Η έρευνα του L.F. Wilhelmi σηματοδότησε την αρχή της μελέτης των ρυθμών των χημικών αντιδράσεων (χημική κινητική). Μελετήθηκε η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε διαλύματα (I.V. Gittorf, F.V.G. Kohlrausch), μελετήθηκαν οι νόμοι ισορροπίας διαλυμάτων με ατμό (D.P. Konovalov) και αναπτύχθηκε η θεωρία των λύσεων (D.I. Mendeleev).
Η αναγνώριση της φυσικής χημείας ως ανεξάρτητης επιστήμης και ακαδημαϊκής πειθαρχίας εκφράστηκε με την ίδρυση στο Πανεπιστήμιο της Λειψίας (Γερμανία) το 1887 του πρώτου τμήματος φυσικής χημείας με επικεφαλής τον W. Ostwald και στην ίδρυση του πρώτου επιστημονικού περιοδικού για τη φυσική χημεία εκεί. Στα τέλη του 19ου αιώνα, το Πανεπιστήμιο της Λειψίας ήταν το κέντρο για την ανάπτυξη της φυσικής χημείας και οι κορυφαίοι φυσικοχημικοί ήταν οι W. Ostwald, J. H. Van't Hoff, S. Arrhenius και W. Nernst. Μέχρι εκείνη τη στιγμή, είχαν καθοριστεί τρεις κύριοι κλάδοι της φυσικής χημείας - η χημική θερμοδυναμική, η χημική κινητική και η ηλεκτροχημεία.
Οι σημαντικότεροι τομείς της επιστήμης, η ανάπτυξη των οποίων είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την τεχνική πρόοδο, περιλαμβάνουν τη μελέτη των χημικών διεργασιών. η φυσική χημεία παίζει πρωταγωνιστικό ρόλο στην ανάπτυξη αυτού του προβλήματος.
Τομές φυσικής χημείας. Ερευνητικές μέθοδοι
Χημική θερμοδυναμική. Στην ενότητα αυτή, με βάση τους νόμους της γενικής θερμοδυναμικής, παρουσιάζονται οι νόμοι της χημικής ισορροπίας και το δόγμα των ισορροπιών φάσεων.
Η μελέτη των διαλυμάτων έχει ως στόχο να εξηγήσει και να προβλέψει τις ιδιότητες των διαλυμάτων (ομογενή μείγματα πολλών ουσιών) με βάση τις ιδιότητες των ουσιών που συνθέτουν το διάλυμα.
Το δόγμα των επιφανειακών φαινομένων. Μελετώνται διάφορες ιδιότητες επιφανειακών στρωμάτων στερεών και υγρών (διεπαφές μεταξύ φάσεων). ένα από τα κύρια φαινόμενα που μελετώνται στα επιφανειακά στρώματα είναι προσρόφηση(συσσώρευση ουσίας στο επιφανειακό στρώμα).
Σε συστήματα όπου οι διεπαφές μεταξύ υγρών, στερεών και αέριων φάσεων είναι πολύ ανεπτυγμένες (γαλακτώματα, νέφη, αναθυμιάσεις, κ.λπ.), οι ιδιότητες των επιφανειακών στρωμάτων αποκτούν πρωταρχική σημασία και καθορίζουν πολλές από τις μοναδικές ιδιότητες ολόκληρου του συστήματος στο σύνολό του. . Τέτοιος διασκορπισμένοι (μικροετερογενής)συστήματα μελετώνται κολλοειδή χημεία,που είναι ένας μεγάλος ανεξάρτητος κλάδος της φυσικής χημείας.
Η δεδομένη λίστα των κύριων τμημάτων της φυσικής χημείας δεν καλύπτει ορισμένες περιοχές και μικρότερες ενότητες αυτής της επιστήμης, οι οποίες μπορούν να θεωρηθούν ως τμήματα μεγαλύτερων τμημάτων ή ως ανεξάρτητες ενότητες της φυσικής χημείας. Αξίζει να τονιστεί για άλλη μια φορά η στενή σχέση μεταξύ των διαφόρων κλάδων της φυσικής χημείας. Όταν κανείς μελετά οποιοδήποτε φαινόμενο, πρέπει να χρησιμοποιήσει ένα οπλοστάσιο ιδεών, θεωριών και μεθόδων έρευνας από πολλούς κλάδους της χημείας (και συχνά άλλες επιστήμες). Μόνο με την αρχική εξοικείωση με τη φυσική χημεία είναι δυνατή η διανομή του υλικού στις υποδεικνυόμενες ενότητες για εκπαιδευτικούς σκοπούς.
Μέθοδοι φυσικής και χημικής έρευνας. Οι βασικές μέθοδοι της φυσικής χημείας είναι, φυσικά, οι μέθοδοι της φυσικής και της χημείας. Αυτή είναι, πρώτα απ 'όλα, μια πειραματική μέθοδος - η μελέτη της εξάρτησης των ιδιοτήτων των ουσιών από τις εξωτερικές συνθήκες, η πειραματική μελέτη των νόμων διαφόρων διεργασιών και οι νόμοι της χημικής ισορροπίας.
Η θεωρητική κατανόηση των πειραματικών δεδομένων και η δημιουργία ενός συνεκτικού συστήματος γνώσης βασίζεται στις μεθόδους της θεωρητικής φυσικής.
Η θερμοδυναμική μέθοδος, που είναι μία από αυτές, επιτρέπει σε κάποιον να συσχετίσει ποσοτικά διάφορες ιδιότητες μιας ουσίας («μακροσκοπικές» ιδιότητες) και να υπολογίσει ορισμένες από αυτές τις ιδιότητες με βάση τις πειραματικές τιμές άλλων ιδιοτήτων.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ι.
ΠΡΩΤΟΣ ΝΟΜΟΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ
Ζέστη και δουλειά
Οι αλλαγές στις μορφές κίνησης κατά τη μετάβασή της από το ένα σώμα στο άλλο και οι αντίστοιχοι μετασχηματισμοί της ενέργειας είναι πολύ διαφορετικές. Οι μορφές της ίδιας της μετάβασης της κίνησης και οι ενεργειακές μεταβάσεις που σχετίζονται με αυτήν μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες.
Η πρώτη ομάδα περιλαμβάνει μόνο μία μορφή μετάβασης της κίνησης μέσω χαοτικών συγκρούσεων μορίων δύο σωμάτων που έρχονται σε επαφή, δηλ. με θερμική αγωγιμότητα (και ταυτόχρονα με ακτινοβολία). Το μέτρο της κίνησης που μεταδίδεται με αυτόν τον τρόπο είναι θερμότητα .
Η δεύτερη ομάδα περιλαμβάνει διάφορες μορφές μετάβασης της κίνησης, το κοινό χαρακτηριστικό των οποίων είναι η κίνηση μακροσκοπικών μαζών υπό την επίδραση οποιωνδήποτε εξωτερικών δυνάμεων κατευθυνόμενης φύσης. Αυτά είναι η ανύψωση σωμάτων σε ένα βαρυτικό πεδίο, η μετάβαση ορισμένης ποσότητας ηλεκτρισμού από ένα υψηλότερο ηλεκτροστατικό δυναμικό σε ένα μικρότερο, η διαστολή ενός αερίου υπό πίεση κ.λπ. Το γενικό μέτρο της κίνησης που μεταδίδεται με τέτοιες μεθόδους είναι Δουλειά .
Η θερμότητα και το έργο χαρακτηρίζουν ποιοτικά και ποσοτικά δύο διαφορετικές μορφές μεταφοράς της κίνησης από το ένα μέρος του υλικού κόσμου στο άλλο.
Η μεταφορά της κίνησης είναι μια μοναδική σύνθετη κίνηση της ύλης, τις δύο κύριες μορφές της οποίας διακρίνουμε. Η θερμότητα και το έργο είναι μέτρα αυτών των δύο πολύπλοκων μορφών κίνησης της ύλης και πρέπει να θεωρούνται ως μορφές ενέργειας.
Η κοινή ιδιότητα της θερμότητας και της εργασίας είναι ότι είναι σημαντικά μόνο κατά τις χρονικές περιόδους στις οποίες συμβαίνουν αυτές οι διεργασίες. Κατά τη διάρκεια τέτοιων διεργασιών, σε ορισμένα σώματα η κίνηση σε ορισμένες μορφές μειώνεται και η αντίστοιχη ενέργεια μειώνεται, ενώ σε άλλα σώματα η κίνηση στην ίδια ή άλλες μορφές αυξάνεται και οι αντίστοιχοι τύποι ενέργειας αυξάνονται.
Δεν μιλάμε για αποθήκευση θερμότητας ή εργασία σε οποιοδήποτε σώμα, αλλά μόνο για τη θερμότητα και το έργο μιας συγκεκριμένης διαδικασίας. Μετά την ολοκλήρωσή του, δεν χρειάζεται να μιλάμε για παρουσία θερμότητας ή εργασίας σε σώματα.
Εσωτερική ενέργεια
Για μια μη κυκλική διαδικασία, η ισότητα (I, 1) δεν ικανοποιείται, αφού το σύστημα δεν επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση. Αντί αυτού, μπορούν να γραφούν οι ισότητες για μια μη κυκλική διαδικασία (παραλείποντας τον συντελεστή κ):
Εφόσον τα όρια ολοκλήρωσης είναι στη γενική περίπτωση αυθαίρετα, τότε για στοιχειώδεις ποσότητες dWΚαι dQ:
ρε Q¹δ W,
ως εκ τούτου:
ρε Q– δ W ¹ 0
Ας υποδηλώσουμε τη διαφορά dQ – dWγια οποιαδήποτε στοιχειώδη θερμοδυναμική διεργασία μέσω dU:
dUº d Q– δ W(Ι, 2)
ή για την τελική διαδικασία:
– (I, 2a)
Επιστρέφοντας στην κυκλική διαδικασία, λαμβάνουμε (από την εξίσωση I, 1):
= – = 0 (I, 3)
Έτσι, η αξία dUείναι η συνολική διαφορά κάποιας συνάρτησης της κατάστασης του συστήματος. Όταν το σύστημα επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση (μετά από μια κυκλική αλλαγή), η τιμή αυτής της συνάρτησης αποκτά την αρχική της τιμή.
Λειτουργία κατάστασης συστήματος U,που ορίζεται από ισότητες (I, 2) ή (I, 2a) ονομάζεται εσωτερική ενέργεια συστήματα .
Προφανώς, η έκφραση (I, 2a) μπορεί να γραφτεί ως εξής:
= U 2 – U 1 = ∆U = –(I, 2b)
U 2 – U 1 = ∆U = Q – W
Αυτός ο συλλογισμός τεκμηριώνει εμπειρικά την παρουσία μιας ορισμένης συνάρτησης της κατάστασης του συστήματος, που έχει την έννοια του συνολικού μέτρου όλων των κινήσεων που έχει το σύστημα.
Με άλλα λόγια, η εσωτερική ενέργεια περιλαμβάνει τη μεταφορική και περιστροφική ενέργεια των μορίων, τη δονητική ενέργεια των ατόμων και των ομάδων ατόμων σε ένα μόριο, την ενέργεια της κίνησης των ηλεκτρονίων, την ενδοπυρηνική και άλλους τύπους ενέργειας, δηλαδή το σύνολο όλων των τύπων ενέργειας σωματίδια σε ένα σύστημα με εξαίρεση το δυναμικό και την κινητική ενέργεια του ίδιου του συστήματος .
Ας υποθέσουμε ότι η κυκλική διαδικασία διεξήχθη με τέτοιο τρόπο ώστε μετά την επιστροφή του συστήματος στην αρχική του κατάσταση, η εσωτερική ενέργεια του συστήματος δεν πήρε την αρχική τιμή, αλλά αυξήθηκε. Σε αυτή την περίπτωση, η επανάληψη κυκλικών διεργασιών θα προκαλούσε τη συσσώρευση ενέργειας στο σύστημα. Θα ήταν δυνατό να μετατραπεί αυτή η ενέργεια σε έργο και να ληφθεί έργο με αυτόν τον τρόπο όχι σε βάρος της θερμότητας, αλλά «από το τίποτα», αφού σε μια κυκλική διαδικασία το έργο και η θερμότητα είναι ισοδύναμα μεταξύ τους, όπως φαίνεται από άμεσα πειράματα.
Αδυναμία εκτέλεσης του καθορισμένου κύκλου κατασκευής μηχάνημα διαρκούς κίνησης (perpetuum mobile) πρώτου είδους,δίνοντας εργασία χωρίς να ξοδέψετε ισοδύναμη ποσότητα άλλου τύπου ενέργειας, έχει αποδειχθεί από το αρνητικό αποτέλεσμα χιλιάδων ετών ανθρώπινης εμπειρίας. Αυτό το αποτέλεσμα οδηγεί στο ίδιο συμπέρασμα που καταλήξαμε σε μια συγκεκριμένη, αλλά πιο αυστηρή μορφή, αναλύοντας τα πειράματα του Joule.
Ας διατυπώσουμε ξανά το αποτέλεσμα που προέκυψε. Το συνολικό ενεργειακό απόθεμα του συστήματος (η εσωτερική του ενέργεια) ως αποτέλεσμα μιας κυκλικής διαδικασίας επιστρέφει στην αρχική του τιμή, δηλαδή η εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος σε μια δεδομένη κατάσταση έχει μια συγκεκριμένη τιμή και δεν εξαρτάται από τις αλλαγές που υπέστη το σύστημα πριν φτάσει σε αυτή την κατάσταση.
Με άλλα λόγια, η εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος είναι μια σαφής, συνεχής και πεπερασμένη συνάρτηση της κατάστασης του συστήματος.
Η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια του συστήματος καθορίζεται από την έκφραση (I, 2b). για μια κυκλική διαδικασία, η έκφραση (I, 3) είναι έγκυρη. Με μια απειροελάχιστη αλλαγή σε ορισμένες ιδιότητες (παραμέτρους) του συστήματος, η εσωτερική ενέργεια του συστήματος αλλάζει επίσης απείρως μικρή. Αυτή είναι μια ιδιότητα μιας συνεχούς συνάρτησης.
Στο πλαίσιο της θερμοδυναμικής δεν χρειάζεται να χρησιμοποιηθεί ένας γενικός ορισμός της έννοιας της εσωτερικής ενέργειας. Ο τυπικός ποσοτικός προσδιορισμός μέσω των εκφράσεων (I, 2) ή (I, 2a) είναι επαρκής για όλους τους περαιτέρω θερμοδυναμικούς συλλογισμούς και συμπεράσματα.
Εφόσον η εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος είναι συνάρτηση της κατάστασής του, τότε, όπως έχει ήδη ειπωθεί, η αύξηση της εσωτερικής ενέργειας με απειροελάχιστες αλλαγές στις παραμέτρους των καταστάσεων του συστήματος είναι το συνολικό διαφορικό της συνάρτησης κατάστασης. Διαίρεση του ολοκληρώματος στην εξίσωση (I, 3) σε δύο ολοκληρώματα σε τμήματα της διαδρομής από την κατάσταση 1 μέχρι κάποιο σημείο 2 (διαδρομή «α») (βλ. Εικ. I) και πίσω - από την κατάσταση 2 μέχρι κάποιο σημείο 1 (άλλο μονοπάτι "β" ), - παίρνουμε:
(Ι, 4)
(Εγώ, 5)
Θα καταλήξουμε στο ίδιο αποτέλεσμα συγκρίνοντας τις διαδρομές "a" και "c" ή "b" και "c", κ.λπ.
Ρύζι. I. Σχήμα κυκλικής (κυκλικής) διαδικασίας.
Η έκφραση (I, 5) δείχνει ότι Η αύξηση της εσωτερικής ενέργειας ενός συστήματος κατά τη μετάβασή του από τη μια κατάσταση στην άλλη δεν εξαρτάται από την πορεία της διαδικασίας, αλλά εξαρτάται μόνο από την αρχική και τελική κατάσταση του συστήματος.
Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής σχετίζεται άμεσα με τον νόμο της διατήρησης της ενέργειας. Σας επιτρέπει να υπολογίσετε το ενεργειακό ισοζύγιο κατά τη διάρκεια διαφόρων διεργασιών, συμπεριλαμβανομένων των χημικών αντιδράσεων.
Από το νόμο της διατήρησης της ενέργειας προκύπτει:
Q = ∆U + W
Η έκφραση που προκύπτει για ένα κλειστό σύστημα μπορεί να διαβαστεί ως εξής: η θερμότητα που παρέχεται στο σύστημα δαπανάται μόνο για την αλλαγή της εσωτερικής του ενέργειας και την εκτέλεση εργασιών.
Η παραπάνω δήλωση που σχετίζεται με τις εξισώσεις (I, 3) και (I, 5) εξυπηρετεί διατύπωση του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής(σε συνδυασμό με την εξίσωση (I, 2), δίνοντας έναν ποσοτικό ορισμό της εσωτερικής ενέργειας).
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μια ποσοτική διατύπωση του νόμου της διατήρησης της ενέργειας όπως εφαρμόζεται σε διαδικασίες που σχετίζονται με το μετασχηματισμό της θερμότητας και του έργου.
Μια άλλη διατύπωση του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής μπορεί να ληφθεί από την έκφραση (I, 2a). Σε ένα απομονωμένο σύστημα dQ = 0Και dW = 0, έπειτα dU = 0; Επομένως, για οποιεσδήποτε διεργασίες συμβαίνουν σε ένα απομονωμένο σύστημα:
(I,6)
δηλ. η εσωτερική ενέργεια ενός απομονωμένου συστήματος είναι σταθερή . Αυτή η διατύπωση του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής είναι, που εφαρμόζεται σε συγκεκριμένες συνθήκες και πεπερασμένα συστήματα, μια ποσοτική έκφραση του γενικού νόμου διατήρησης της ενέργειας, σύμφωνα με τον οποίο η ενέργεια ούτε δημιουργείται ούτε καταστρέφεται.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δεν καθιστά δυνατή την εύρεση της πλήρους τιμής της εσωτερικής ενέργειας ενός συστήματος σε οποιαδήποτε κατάσταση, καθώς οι εξισώσεις που εκφράζουν τον πρώτο νόμο οδηγούν στον υπολογισμό μόνο των αλλαγών στην ενέργεια του σύστημα σε διάφορες διαδικασίες. Ομοίως, η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας στις μακροσκοπικές διεργασίες δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα. μπορεί κανείς να υπολογίσει αυτή τη μεταβολή μόνο χρησιμοποιώντας την εξίσωση (I, 2b), λαμβάνοντας υπόψη μετρήσιμα μεγέθη - θερμότητα και έργο αυτής της διαδικασίας.
Σημειώστε ότι η θερμότητα και το έργο (το καθένα ξεχωριστά) δεν έχουν την ιδιότητα μιας συνάρτησης κατάστασης που εκφράζεται με την εξίσωση (I, 3) ή (I, 5) και είναι εγγενής στην εσωτερική ενέργεια. Η θερμότητα και το έργο της διαδικασίας που μεταφέρει το σύστημα από την κατάσταση 1 στην κατάσταση 2 εξαρτώνται, στη γενική περίπτωση, από την πορεία της διαδικασίας και το μέγεθος δQΚαι δWδεν είναι διαφορικά της συνάρτησης κατάστασης, αλλά είναι απλά απειροελάχιστα μεγέθη, τα οποία θα ονομάσουμε στοιχειακή θερμότηταΚαι βασική εργασία.
Έτσι, η εσωτερική διαφορά ενέργειας dUέχει διαφορετικές μαθηματικές ιδιότητες από τη στοιχειώδη θερμότητα dQΚαι δουλειά dW. Αυτό είναι πολύ σημαντικό κατά την κατασκευή ενός θερμοδυναμικού συστήματος.
Εξισώσεις κατάστασης
Πολλές ιδιότητες ενός συστήματος σε ισορροπία και οι συστατικές του φάσεις είναι αλληλεξαρτώμενες. Μια αλλαγή σε ένα από αυτά προκαλεί αλλαγή και στα άλλα. Οι ποσοτικές λειτουργικές εξαρτήσεις μεταξύ των ιδιοτήτων του συστήματος (φάση) μπορούν να αντικατοπτρίζονται από εξισώσεις διαφόρων τύπων.
Από αυτές τις εξισώσεις, η πιο σημαντική είναι εξίσωση κατάστασηςφάση, που συνδέει σε ενιαία μορφή την πίεση, τη θερμοκρασία, την πυκνότητα (ή τον όγκο), τη σύνθεση και άλλες ιδιότητες κάθε φάσης ενός συστήματος που βρίσκεται σε ισορροπία.
Η εξίσωση κατάστασης σχετίζεται στενά με τις θερμοδυναμικές εξισώσεις του συστήματος και των ομοιογενών μερών του (φάσεις), αλλά δεν μπορεί να προκύψει σε συγκεκριμένη μορφή από τις βασικές εξισώσεις της θερμοδυναμικής και πρέπει να βρεθεί πειραματικά ή να ληφθεί με μεθόδους στατιστικής φυσικής, βασισμένες σε μοριακές παραμέτρους (δηλαδή ποσότητες που χαρακτηρίζουν τη δομή και τις ιδιότητες μεμονωμένων μορίων). Οι απλούστερες εξισώσεις κατάστασης είναι οι εξισώσεις για αέρια σε χαμηλές πιέσεις: η εξίσωση Clapeyron–Mendeleev, η εξίσωση van der Waals κ.λπ.
Η παρουσία εξισώσεων κατάστασης και άλλων εξισώσεων που συνδέουν διάφορες ιδιότητες της φάσης οδηγεί στο γεγονός ότι για έναν ξεκάθαρο χαρακτηρισμό της κατάστασης του συστήματος, αρκεί η γνώση μερικών μόνο ανεξάρτητων ιδιοτήτων. Αυτές οι ιδιότητες ονομάζονται ανεξάρτητες μεταβλητέςή παραμέτρους κατάστασηςσυστήματα. Οι υπόλοιπες ιδιότητες είναι συναρτήσεις παραμέτρων κατάστασης και καθορίζονται μοναδικά εάν δίνονται οι τιμές των τελευταίων. Επιπλέον, για πολλά προβλήματα δεν έχει σημασία αν γνωρίζουμε τις συγκεκριμένες εξισώσεις κατάστασης των υπό μελέτη φάσεων. το μόνο σημαντικό είναι ότι οι αντίστοιχες εξαρτήσεις υπάρχουν πάντα στην πραγματικότητα.
Έτσι, η κατάσταση του συστήματος καθορίζεται από ανεξάρτητες μεταβλητές (παράμετροι κατάστασης), ο αριθμός των οποίων εξαρτάται από τη φύση του συγκεκριμένου συστήματος και η επιλογή τους είναι, καταρχήν, αυθαίρετη και σχετίζεται με σκοπιμότητες. Για να προσδιοριστεί η κατάσταση των απλούστερων συστημάτων - ομοιογενών και σταθερών με την πάροδο του χρόνου σε μάζα και σύνθεση (που αποτελούνται από μία φάση και δεν μεταβάλλονται χημικά) - αρκεί να γνωρίζουμε δύο ανεξάρτητες μεταβλητές από τις τρεις (όγκος V,πίεση Πκαι θερμοκρασία Τ).Σε πιο πολύπλοκα συστήματα, οι ανεξάρτητες μεταβλητές μπορεί να περιλαμβάνουν συγκεντρώσεις, ηλεκτρικό φορτίο, ηλεκτροστατικό δυναμικό, ένταση μαγνητικού πεδίου και άλλα.
Θερμιδικοί συντελεστές
Η εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος, όντας συνάρτηση κατάστασης, είναι συνάρτηση ανεξάρτητων μεταβλητών (παραμέτρων κατάστασης) του συστήματος.
Στα πιο απλά συστήματα
U = φά (V, T) (Ι, 7)
από πού προέρχεται το συνολικό διαφορικό U; :
dU = dV + dT (1,8)
Αντικατάσταση της τιμής dUαπό την εξίσωση (I, 8) στην εξίσωση (I, 2), βρίσκουμε:
δQ = dV + dT + δW(Εγώ, 9)
Εάν στο υπό μελέτη σύστημα υπάρχουν μόνο εργασίες διαστολής και όχι ηλεκτρικό έργο, βαρυτική δύναμη, επιφανειακές δυνάμεις κ.λπ., τότε δ W = PdV.Επειτα
δQ = + Π dV + dT(I, 9a)
Δηλώνοντας τους συντελεστές των διαφορών των ανεξάρτητων μεταβλητών στην εξίσωση (I, 9a) με τα σύμβολα μεγάλοΚαι ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ,παίρνουμε:
δQ = ldV + C V dT(1,10)
Από τις εξισώσεις (I, 9a) και (I, 10) προκύπτει:
= l = +P(Ι, 11)
= C V =
Ποσότητες Και δεν αντιπροσωπεύουν παράγωγα κάποιας συνάρτησης. Το πρώτο είναι θερμότητα ισοθερμικής διαστολήςσώματα. Αυτή η ποσότητα, η διάσταση της οποίας συμπίπτει με τη διάσταση της πίεσης, αποτελείται από την εξωτερική πίεση και τον όρο ; που αντανακλά την αμοιβαία έλξη των μορίων. Αυτός ο όρος είναι μικρός για τα πραγματικά αέρια και πολύ μεγάλος (σε σύγκριση με τις συνήθεις τιμές εξωτερικής πίεσης) για υγρά και στερεά.
Μέγεθος ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ, σύμφωνα με την εξίσωση (I, 11), υπάρχει θερμοχωρητικότητα σε σταθερό όγκο. Η θερμότητα που απορροφάται από το σύστημα σε σταθερό όγκο δαπανάται εξ ολοκλήρου στην αύξηση της εσωτερικής ενέργειας (υπό την προϋπόθεση ότι απουσιάζουν όλα τα είδη εργασίας, συμπεριλαμβανομένων των εργασιών διαστολής).
Συντελεστές του συνολικού διαφορικού εσωτερικής ενέργειας για μεταβλητές VΚαι Τέχουν απλή φυσική σημασία, όπως φαίνεται παραπάνω.
Επιλογή ως ανεξάρτητες μεταβλητές ΠΚαι Τή VΚαι Πκαι θεωρώντας την εσωτερική ενέργεια ως συνάρτηση αυτών των ζευγών μεταβλητών, μπορούμε να λάβουμε, παρόμοια με τα παραπάνω:
ρε Q = HDP + C P dT(I, 10a)
ρε Q= γ dV+ λ dp(Ι, 10β)
που είναι οι ποσότητες h, C P,Τα c και l σχετίζονται με τα παράγωγα της εσωτερικής ενέργειας με πιο σύνθετες σχέσεις από αυτές που παρουσιάζονται στην εξίσωση (I, 11). Σημειώστε ότι C p =Υπάρχει θερμοχωρητικότητα σε σταθερή πίεση,ΕΝΑ η = – αύξηση της θερμότητας της ισοθερμικής πίεσης.Η τελευταία τιμή είναι σημαντικά αρνητική.
Πιθανότητα μεγάλο, η, Γ V , C P ,γ και λ λέγονται θερμιδικοί συντελεστές.Έχοντας μια ανεξάρτητη φυσική σημασία (ειδικά Γ Π,ντο V και μεγάλο), είναι επίσης χρήσιμες βοηθητικές ποσότητες σε θερμοδυναμικές παραγώγους και υπολογισμούς.
Λειτουργία διαφόρων διαδικασιών
Πολλές ενεργειακές διεργασίες ενώνονται με το όνομα της εργασίας. Μια κοινή ιδιότητα αυτών των διεργασιών είναι η δαπάνη ενέργειας από το σύστημα για να υπερνικήσει τη δύναμη που ενεργεί από έξω. Τέτοιες διαδικασίες περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, την κίνηση μαζών σε ένα δυνητικό πεδίο. Εάν συμβεί κίνηση ενάντια στην κλίση δύναμης, τότε το σύστημα ξοδεύει ενέργεια με τη μορφή εργασίας. ο όγκος της εργασίας είναι θετικός. Όταν κινείται κατά μήκος μιας κλίσης δύναμης, το σύστημα λαμβάνει ενέργεια με τη μορφή εργασίας από το εξωτερικό. ο όγκος της εργασίας είναι αρνητικός. Αυτό είναι το έργο της ανύψωσης μιας γνωστής μάζας σε ένα βαρυτικό πεδίο. Βασική εργασία σε αυτή την περίπτωση:
ρε W = – mgdH
Οπου Μ- μάζα σώματος; H– ύψος πάνω από το αρχικό μηδενικό επίπεδο. Όταν ένα σύστημα διαστέλλεται υπό εξωτερική πίεση Π,το σύστημα λειτουργεί , η στοιχειώδης εργασία είναι ίση σε αυτή την περίπτωση PdV(V 1Και V 2 -αρχικός και τελικός όγκος του συστήματος, αντίστοιχα).
Όταν κινείται ένα ηλεκτρικό φορτίο qσε ένα ηλεκτρικό πεδίο αντίθετο από την κατεύθυνση της πτώσης δυναμικού ικαι στην περιοχή όπου η μεταβολή του δυναμικού είναι ίση με DJ,καθώς και με αύξηση του φορτίου ενός σώματος που έχει δυναμικό ι, κατά το ποσό dqη εργασία γίνεται στο σύστημα, η τιμή του είναι ίση στην πρώτη περίπτωση - qdjκαι στη δεύτερη περίπτωση - jdq.
Με παρόμοιο τρόπο, μπορούμε να εκφράσουμε το έργο της αύξησης της επιφάνειας διεπαφής μικρόμεταξύ ομοιογενών τμημάτων του συστήματος (φάσεις): δ W= -s dS,
όπου s είναι η επιφανειακή τάση.
Γενικά, στοιχειώδης δουλειά dWείναι το άθροισμα πολλών ποιοτικά διαφορετικών στοιχειωδών έργων:
ρε W = Pd V - mgdH-μικρό dS– ι ρε q + … (1.12)
Εδώ P, -mg, -σ, -j – δυνάμεις με γενικευμένη έννοια (γενικευμένες δυνάμεις)ή παράγοντες έντασης? V, H, S, q – γενικευμένες συντεταγμένεςή συντελεστές χωρητικότητας.
Σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση, είναι απαραίτητο να καθοριστούν ποιοι τύποι εργασίας είναι δυνατοί στο υπό μελέτη σύστημα και, έχοντας συντάξει τις κατάλληλες εκφράσεις για dW, χρησιμοποιήστε τα στην εξίσωση (I, 2a). Η ολοκλήρωση της εξίσωσης (I, 12) και ο υπολογισμός της εργασίας για μια συγκεκριμένη διαδικασία είναι δυνατή μόνο σε περιπτώσεις όπου η διαδικασία βρίσκεται σε ισορροπία και η εξίσωση κατάστασης είναι γνωστή.
Για πολλά συστήματα, είναι δυνατό να περιοριστεί η σειρά της εξίσωσης (I, 12) σε έναν όρο - το έργο της επέκτασης.
Το έργο της διαστολής κατά τις διεργασίες ισορροπίας εκφράζεται με διάφορες εξισώσεις που προκύπτουν από την εξίσωση κατάστασης. Εδώ είναι μερικά από αυτά:
1) Μια διεργασία που συμβαίνει σε σταθερό όγκο (ισοχωρική διαδικασία, V = συνιστ):
W = ∫δW = ∫PdV = 0(Εγώ, 13)
2) Μια διεργασία που συμβαίνει σε σταθερή πίεση (ισοβαρική διεργασία, P = συνεχ):
W= = P(V 2 – V 1) = PDV(Εγώ, 14)
3) Μια διεργασία που συμβαίνει σε σταθερή θερμοκρασία (ισοθερμική διεργασία, Τ = συντ). Το έργο της διαστολής ενός ιδανικού αερίου, για το οποίο PV = nRT:
W = dV = nRT ln(Εγώ, 15)
Ενθαλπία
Η εξίσωση του πρώτου θερμοδυναμικού νόμου για διεργασίες όπου εκτελείται μόνο εργασία διαστολής έχει τη μορφή:
δQ = dU + PdV(Εγώ, 19)
Εάν η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε σταθερή πίεση, τότε, ολοκληρώνοντας, λαμβάνουμε:
Q P = U 2 – U 1 + P(V 2 – V 1)(Εγώ, 20)
Q P = (U 2 + PV 2) – (U 1 + PV 1)(Εγώ, 21)
Επειδή ΠΚαι V– παραμέτρους κατάστασης, ένα Uείναι συνάρτηση κατάστασης, τότε το άθροισμα U+PVείναι επίσης συνάρτηση κατάστασης και η αλλαγή της στη διαδικασία δεν εξαρτάται από τη διαδρομή της διαδικασίας, αλλά μόνο από την αρχική και την τελική κατάσταση. Αυτή η συνάρτηση καλείται ενθαλπίακαι υποδεικνύεται με το σύμβολο H. Προσδιορισμός της αξίας Hείναι η ταυτότητα:
HU+PV(Εγώ, 22)
Από την εξίσωση (I, 21) προκύπτει ότι η θερμότητα που απορροφάται σε σταθερή πίεση είναι ίση με την αύξηση της ενθαλπίας D Hκαι δεν εξαρτάται από τη διαδρομή της διαδικασίας:
(I,21a)
Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής
Οι πιο συνηθισμένες και σίγουρα αυθόρμητες διαδικασίες είναι η μεταφορά θερμότητας από ένα θερμό σώμα σε ένα ψυχρό (θερμική αγωγιμότητα) και η μετάβαση της εργασίας σε θερμότητα (τριβή). Η μακραίωνη καθημερινή, τεχνική και επιστημονική πρακτική της ανθρωπότητας έχει δείξει την καθημερινή πραγματικότητα αυτών των διαδικασιών, καθώς και την αδυναμία της αυθόρμητης εμφάνισης αντίστροφων διαδικασιών, οι οποίες είναι πολύ δελεαστικές από πρακτική άποψη (απόκτηση εργασίας με αφαίρεση θερμότητα από σώματα που περιβάλλουν το σώμα εργασίας). Αυτό δίνει λόγους να ισχυριστεί κανείς ότι το μόνο αποτέλεσμα οποιασδήποτε σειράς διεργασιών δεν μπορεί να είναι η μεταφορά θερμότητας από ένα λιγότερο θερμαινόμενο σώμα σε ένα πιο θερμαινόμενο (αξίωμα του Clausius).
Η αντίθετη μετάβαση της θερμότητας από ένα πιο θερμαινόμενο σώμα σε ένα λιγότερο θερμαινόμενο είναι η συνήθης διαδικασία μη ισορροπίας μεταφοράς θερμότητας μέσω θερμικής αγωγιμότητας. Δεν μπορεί να αντιστραφεί, δηλαδή να μεταφερθεί προς την αντίθετη κατεύθυνση μέσω της ίδιας ακολουθίας καταστάσεων. Αλλά αυτό δεν αρκεί: εάν το σύστημα έχει υποστεί μια διαδικασία άμεσης μεταφοράς θερμότητας, τότε δεν είναι σε καμία περίπτωση δυνατό να πραγματοποιηθεί μια τέτοια ακολουθία οποιωνδήποτε διεργασιών με αποτέλεσμα όλα τα σώματα που εμπλέκονται στη μεταφορά θερμότητας να επιστρέψουν στην αρχική τους κατάσταση και δεν θα συνέβαιναν αλλαγές σε άλλα σώματα. Η διαδικασία της θερμικής αγωγιμότητας είναι μη αναστρέψιμη.
Μια άλλη γενική θέση, η οποία έχει την ίδια πειραματική βάση, δηλώνει τα εξής: το μόνο αποτέλεσμα οποιουδήποτε συνόλου διεργασιών δεν μπορεί να είναι η μετατροπή της θερμότητας σε έργο (δηλαδή η απορρόφηση θερμότητας από το σύστημα από το περιβάλλον και η απελευθέρωση ισοδύναμου εργασίας σε αυτή τη ζέστη). Έτσι, η αυθόρμητη διαδικασία μετατροπής της εργασίας σε θερμότητα (μέσω της τριβής) είναι μη αναστρέψιμη (όπως ακριβώς η θερμική αγωγιμότητα).
Η τελευταία δήλωση μπορεί να διατυπωθεί διαφορετικά: η θερμότητα του ψυχρότερου από τα σώματα που συμμετέχουν στη διαδικασία δεν μπορεί να χρησιμεύσει ως πηγή εργασίας (αξίωμα του Τόμσον).
Και οι δύο διατάξεις (αξίες του Clausius και του Thomson) είναι διατυπώσεις του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής και είναι ισοδύναμες μεταξύ τους, δηλαδή η καθεμία από αυτές μπορεί να αποδειχθεί με βάση την άλλη.
Δεδομένου ότι η μετάβαση της θερμότητας ή η μετατροπή της σε εργασία θεωρείται ως το μοναδικό αποτέλεσμα της διαδικασίας, είναι προφανώς απαραίτητο το σύστημα που συμμετέχει στην ανταλλαγή θερμότητας να επιστρέψει ως αποτέλεσμα της διεργασίας ή του συνόλου διεργασιών στην αρχική του κατάσταση. Με μια τέτοια κυκλική διαδικασία, η εσωτερική ενέργεια του συστήματος δεν θα αλλάξει.
Ας υποθέσουμε ότι η δεύτερη από τις παραπάνω διατυπώσεις (ειδικά στην τελευταία της μορφή) είναι λανθασμένη. Τότε θα ήταν δυνατό να κατασκευαστεί ένα μηχάνημα που λειτουργεί σε κύκλους, το «εργαζόμενο ρευστό» του οποίου θα επέστρεφε περιοδικά στην αρχική του κατάσταση και αυτό το μηχάνημα θα παράγει έργο λόγω της θερμότητας που απορροφάται από το εξωτερικό από ένα σώμα που δεν θερμαίνεται περισσότερο από το σύστημα. τον εαυτό του και όλα τα άλλα σώματα που περιβάλλουν το σύστημα. Μια τέτοια διαδικασία θα προχωρούσε χωρίς να παραβιάζεται ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής (εργασία λόγω θερμότητας), αλλά για πρακτική ισοδυναμεί με την απόκτηση εργασίας από το τίποτα, αφού κάθε μηχανή θα είχε μια πρακτικά ανεξάντλητη πηγή θερμότητας στο περιβάλλον. Με αυτόν τον τρόπο το ατμόπλοιο μπορούσε να κινηθεί, αφαιρώντας τη θερμότητα του νερού του ωκεανού και δεν χρειάζεται καύσιμα. Αυτό το μηχάνημα ονομάζεται perpetuum mobile (μηχανή διαρκούς κίνησης) δεύτερου είδους.Με βάση αυτόν τον ορισμό, μπορούμε να διατυπώσουμε τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, δίνοντας στο αξίωμα του Thomson μια διαφορετική μορφή: ένα perpetuum mobile του δεύτερου είδους είναι αδύνατο.
Πρέπει να τονιστεί ότι τόσο οι διατάξεις των Clausius και Thomson όσο και η δήλωση περί αδυναμίας perpetuum mobile δεύτερου είδους δεν αποδεικνύονται βάσει άλλων νόμων ή διατάξεων. Είναι υποθέσεις που δικαιολογούνται από όλες τις συνέπειες που απορρέουν από αυτές, αλλά δεν μπορούν να αποδειχθούν για όλες τις πιθανές περιπτώσεις.
Ας δώσουμε μια άλλη διατύπωση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής, η οποία είναι, φυσικά, αρκετά ακριβής και συνοπτική. Αυτή η διατύπωση περιέχει το αξίωμα της ύπαρξης μιας νέας συνάρτησης κατάστασης, μέσω της οποίας εκφράζεται η διαφορά μεταξύ αναστρέψιμων και μη αναστρέψιμων διεργασιών:
Μέθοδοι υπολογισμού της εντροπίας
Οι εξισώσεις (II, 1) και (II, 1a), που καθορίζουν την εντροπία, είναι οι μόνες αρχικές εξισώσεις για τον θερμοδυναμικό υπολογισμό της μεταβολής της εντροπίας του συστήματος. Αντικαθιστώντας τη στοιχειώδη θερμότητα στην εξίσωση (II, 1a) με τις εκφράσεις της μέσω θερμιδικών συντελεστών (βλέπε εξισώσεις (I, 10) και (I, 10a)), λαμβάνουμε για διεργασίες ισορροπίας:
KJ/mol; θερμοκρασία τήξης t pl. = 5,5°C ( Τ= 278,5 ΠΡΟΣ ΤΗΝ). Επομένως, η μεταβολή της εντροπίας είναι 1 ΕΛΙΑ δερματοςβενζόλιο όταν τήκεται (εντροπία τήξης) ισούται με:
DS πλ. = 35,06J/mol
2. Θέρμανση σε σταθερή πίεση (ισοβαρική διαδικασία. P = συνεχ). Από τις εξισώσεις (I, 18a) και (II, 1a) παίρνουμε:
DS=(II, 6)
Ας βρούμε τη μεταβολή της εντροπίας ενός mole αλουμινίου όταν θερμαίνεται από 25 στους 600°C. Η πραγματική μοριακή θερμοχωρητικότητα του αλουμινίου μπορεί να εκφραστεί με την εξίσωση:
C p = 565,5 + 0,290 Τ.Σύμφωνα με την εξίσωση (II, 6), η μεταβολή της εντροπίας θα είναι ίση με:
DS = = 565,5 + 0,290 (873 – 298) = 607,8 + 166,8 = 774,6 J/molK
Το αξίωμα του Πλανκ. Απόλυτες τιμές εντροπίας
Χρησιμοποιώντας την εξίσωση (II, 3), είναι αδύνατο να υπολογιστεί η απόλυτη τιμή της εντροπίας του συστήματος. Αυτή η δυνατότητα παρέχεται από μια νέα, αναπόδεικτη θέση που δεν προκύπτει από τους δύο νόμους της θερμοδυναμικής, που διατυπώθηκε από τον M. Planck (1912). Σύμφωνα με τη διάταξη αυτή, καλείται Το αξίωμα του Πλανκ, η εντροπία μιας μεμονωμένης κρυσταλλικής ουσίας στο απόλυτο μηδέν είναι μηδέν:
Αυστηρά μιλώντας, το αξίωμα του Planck ισχύει μόνο για μεμονωμένες ουσίες των οποίων οι κρύσταλλοι είναι ιδανικά κατασκευασμένοι (σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα, όλοι οι κόμβοι καταλαμβάνονται από μόρια ή άτομα, τακτικά εναλλασσόμενα και κανονικά προσανατολισμένα). Τέτοιοι κρύσταλλοι ονομάζονται ιδανικά στερεά.Οι πραγματικοί κρύσταλλοι δεν είναι έτσι, αφού το κρυσταλλικό τους πλέγμα δεν είναι ιδανικά κατασκευασμένο.
Η εντροπία ενός κρυσταλλικού πλέγματος που κατασκευάζεται κάπως τυχαία είναι μεγαλύτερη από την εντροπία ενός τέλεια κατασκευασμένου κρυσταλλικού πλέγματος. Επομένως, οι πραγματικοί κρύσταλλοι ακόμη και σε 0 K έχουν εντροπία μεγαλύτερη από το μηδέν. Ωστόσο, οι εντροπίες των πραγματικών καλοσχηματισμένων κρυστάλλων μεμονωμένων ουσιών στο απόλυτο μηδέν είναι μικρές.
Σύμφωνα με το αξίωμα του Planck, η εξίσωση (II, 6) για ένα ιδανικό στερεό σώμα θα έχει τη μορφή:
Το αξίωμα του Planck χρησιμοποιείται στη θερμοδυναμική μελέτη χημικών διεργασιών για τον υπολογισμό των απόλυτων τιμών της εντροπίας των χημικών ενώσεων - ποσότητες που έχουν μεγάλη σημασία για τον υπολογισμό των χημικών ισορροπιών.
Η εντροπία χρησιμοποιείται ευρέως στην τεχνική θερμοδυναμική (μηχανική θερμότητας), ως μία από τις σημαντικές παραμέτρους του ρευστού εργασίας σε μια θερμική μηχανή, για παράδειγμα, υδρατμούς. Οι τιμές εντροπίας των υδρατμών σε μια δεδομένη κατάσταση υπολογίζονται σε σύγκριση με κάποια τυπική κατάσταση - συνήθως 0 ° C και 1 πμ.Αυτές οι τιμές εντροπίας χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των λεγόμενων διαγράμματα κατάστασης εντροπίαςυδρατμοί σε συντεταγμένες S-Tή SH(διάγραμμα Mollier). Σε τέτοια διαγράμματα, παρόμοια με διαγράμματα V-PΜπορείτε να απεικονίσετε διάφορες διεργασίες που συμβαίνουν στο ρευστό εργασίας μιας θερμικής μηχανής και συνθέτουν τους κύκλους λειτουργίας της μηχανής.
Συμπερασματικά, πρέπει να σημειωθεί ότι δεν χρειάζεται να εμβαθύνουμε στον τομέα της θερμοδυναμικής. Στόχος μας είναι μόνο να επεξηγήσουμε τις κύριες ιδέες αυτής της επιστήμης και να εξηγήσουμε τους λόγους για τους οποίους είναι δυνατόν να βασιστούμε στα επιχειρήματά της.
Τέλος, οι δύο νόμοι της θερμοδυναμικής συχνά διατυπώνονται ως εξής:
Πρώτος Νόμος: Η ενέργεια του Σύμπαντος είναι πάντα σταθερή.
Δεύτερος Νόμος: Η εντροπία του Σύμπαντος πάντα αυξάνεται.
Phys. χημεία - η επιστήμη των νόμων των χημικών διεργασιών και της χημείας. πρωτοφανής.
Θέμα φυσικής χημείας εξήγηση χημείας. φαινόμενα που βασίζονται σε γενικότερους νόμους της φυσικής. Η Φυσικοχημεία εξετάζει δύο κύριες ομάδες ερωτήσεων:
1. Μελέτη της δομής και των ιδιοτήτων της ύλης και των συστατικών της σωματιδίων.
2. Μελέτη των διαδικασιών αλληλεπίδρασης ουσιών.
Η Φυσικοχημεία στοχεύει στη μελέτη των συνδέσεων μεταξύ χημικών και φυσικών φαινομένων. Η γνώση τέτοιων συνδέσεων είναι απαραίτητη προκειμένου να μελετηθούν σε βάθος οι χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στη φύση και χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία. διεργασίες, ελέγχουν το βάθος και την κατεύθυνση της αντίδρασης. Ο κύριος στόχος του κλάδου Φυσικοχημεία είναι η μελέτη των γενικών συνδέσεων και των νόμων της χημείας. διαδικασίες που βασίζονται σε θεμελιώδεις αρχές της φυσικής. Η φυσική χημεία χρησιμοποιεί τη φυσική. θεωρίες και μέθοδοι για χημικά φαινόμενα.
Εξηγεί ΓΙΑΤΙ και ΠΩΣ συμβαίνουν οι μετασχηματισμοί των ουσιών: χημεία. αντιδράσεις και μεταβάσεις φάσης. ΓΙΑΤΙ – χημική θερμοδυναμική. ΠΩΣ - χημική κινητική.
Βασικές έννοιες της φυσικής χημείας
Το κύριο αντικείμενο της χημείας. Η θερμοδυναμική είναι ένα θερμοδυναμικό σύστημα. Θερμοδυναμικός Σύστημα – κάθε σώμα ή σύνολο σωμάτων ικανά να ανταλλάσσουν ενέργεια και ύλη με τον εαυτό τους και με άλλα σώματα. Τα συστήματα χωρίζονται σε ανοιχτά, κλειστά και μεμονωμένα. Ανοιξε και εγώ - Το θερμοδυναμικό σύστημα ανταλλάσσει τόσο ουσίες όσο και ενέργεια με το εξωτερικό περιβάλλον. Κλειστό και εγώ - ένα σύστημα στο οποίο δεν υπάρχει ανταλλαγή ύλης με το περιβάλλον, αλλά μπορεί να ανταλλάξει ενέργεια με αυτό. Απομονωμένος και εγώ -Ο όγκος του συστήματος παραμένει σταθερός και στερείται της δυνατότητας ανταλλαγής ενέργειας και ύλης με το περιβάλλον.
Το σύστημα μπορεί να είναι ομοιογενής (ομογενής) ή ετερογενής (ετερογενής) ). Φάση - αυτό είναι μέρος ενός συστήματος που, ελλείψει εξωτερικού πεδίου δύναμης, έχει την ίδια σύνθεση σε όλα του τα σημεία και την ίδια θερμοδυναμική. St. you και διαχωρίζεται από άλλα μέρη του συστήματος με μια διεπαφή. Η φάση είναι πάντα ομοιόμορφη, δηλ. ομοιογενές, επομένως ένα μονοφασικό σύστημα ονομάζεται ομοιογενές. Ένα σύστημα που αποτελείται από πολλές φάσεις ονομάζεται ετερογενές.
Οι ιδιότητες του συστήματος χωρίζονται σε δύο ομάδες: εκτεταμένη και εντατική.
Η Θερμοδυναμική χρησιμοποιεί τις έννοιες της ισορροπίας και των αναστρέψιμων διεργασιών. Ισορροπία είναι μια διαδικασία που διέρχεται από μια συνεχή σειρά καταστάσεων ισορροπίας. Αναστρέψιμη θερμοδυναμική διαδικασία είναι μια διαδικασία που μπορεί να πραγματοποιηθεί αντίστροφα χωρίς να αφήσει αλλαγές στο σύστημα ή στο περιβάλλον.
2. Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής. Εσωτερική ενέργεια, θερμότητα, εργασία.
Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικήςσχετίζεται άμεσα με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας. Βάσει αυτού του νόμου, προκύπτει ότι σε οποιοδήποτε απομονωμένο σύστημα η παροχή ενέργειας παραμένει σταθερή. Από το νόμο της διατήρησης της ενέργειας ακολουθεί μια άλλη διατύπωση του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής - η αδυναμία δημιουργίας μιας μηχανής αέναης κίνησης (perpetuum mobile) πρώτου είδους, η οποία θα παράγει έργο χωρίς να ξοδεύει ενέργεια σε αυτήν. Ένα ιδιαίτερα σημαντικό σκεύασμα για τη χημική θερμοδυναμική
Η πρώτη αρχή είναι να το εκφράσουμε μέσω της έννοιας της εσωτερικής ενέργειας: η εσωτερική ενέργεια είναι συνάρτηση της κατάστασης, δηλ. Η αλλαγή του δεν εξαρτάται από την πορεία της διαδικασίας, αλλά εξαρτάται μόνο από την αρχική και τελική κατάσταση του συστήματος. Μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος Uμπορεί να συμβεί λόγω ανταλλαγής θερμότητας QΚαι δουλειά Wμε το περιβάλλον. Τότε από τον νόμο διατήρησης της ενέργειας προκύπτει ότι η θερμότητα Q που λαμβάνει το σύστημα από έξω ξοδεύεται στην αύξηση της εσωτερικής ενέργειας ΔU και του έργου W που εκτελεί το σύστημα, δηλ. Q =Δ U+W. Δεδομένος στοευθυγράμμιση είναι
μαθηματική έκφραση του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής.
Εγώαρχή της θερμοδυναμικήςη διατύπωσή του:
Σε οποιοδήποτε απομονωμένο σύστημα η παροχή ενέργειας παραμένει σταθερή.
διαφορετικές μορφές ενέργειας μετατρέπονται μεταξύ τους σε αυστηρά ισοδύναμες ποσότητες.
μηχανή αέναης κίνησης (perpetuum κινητό) του πρώτου είδους είναι αδύνατο.
η εσωτερική ενέργεια είναι συνάρτηση κατάστασης, δηλ. Η αλλαγή του δεν εξαρτάται από την πορεία της διαδικασίας, αλλά εξαρτάται μόνο από την αρχική και τελική κατάσταση του συστήματος.
αναλυτική έκφραση: Q = ρε U + W ; για μια απειροελάχιστη μεταβολή των ποσοτήτων ρε Q = dU + ρε W .
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής καθιερώνει τη σχέση. m / y θερμότητα Q, εργασία Α και αλλαγή στο εσωτερικό. ενέργεια του συστήματος ΔU. Αλλαγή εσωτερικού η ενέργεια του συστήματος είναι ίση με την ποσότητα θερμότητας που μεταδίδεται στο σύστημα μείον την ποσότητα εργασίας που γίνεται από το σύστημα έναντι των εξωτερικών δυνάμεων.
Η εξίσωση (I.1) είναι μια μαθηματική αναπαράσταση του 1ου νόμου της θερμοδυναμικής, η εξίσωση (I.2) είναι για μια απειροελάχιστη αλλαγή κατάστασης. συστήματα.
Int. Η ενέργεια είναι συνάρτηση κατάστασης. αυτό σημαίνει ότι η αλλαγή είναι εσωτερική. ενέργεια ΔU δεν εξαρτάται από τη διαδρομή μετάβασης του συστήματος από την κατάσταση 1 στην κατάσταση 2 και ισούται με τη διαφορά στις εσωτερικές τιμές. ενέργειες U2 και U1 σε αυτές τις καταστάσεις: (I.3)
Int. Η ενέργεια του συστήματος είναι το άθροισμα της δυναμικής ενέργειας της αλληλεπίδρασης. όλα τα σωματίδια του σώματος σε σχέση μεταξύ τους και την κινητική ενέργεια της κίνησής τους (χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η κινητική και η δυνητική ενέργεια του συστήματος συνολικά). Int. η ενέργεια του συστήματος εξαρτάται από τη φύση της ουσίας, τη μάζα της και τις παραμέτρους της κατάστασης του συστήματος. Είναι ηλικίας. με αύξηση της μάζας του συστήματος, αφού αποτελεί εκτεταμένη ιδιότητα του συστήματος. Int. Η ενέργεια συμβολίζεται με το γράμμα U και εκφράζεται σε τζάουλ (J). Γενικά για σύστημα με ποσότητα 1 mole. Int. ενέργειας, όπως κάθε θερμοδυναμική. Η ιερότητα του συστήματος είναι συνάρτηση του κράτους. Μόνο εσωτερικές αλλαγές εμφανίζονται απευθείας στο πείραμα. ενέργεια. Γι' αυτό στους υπολογισμούς λειτουργούν πάντα με τη μεταβολή του U2 –U1 = U.
Όλες οι εσωτερικές αλλαγές οι ενέργειες χωρίζονται σε δύο ομάδες. Η 1η ομάδα περιλαμβάνει μόνο την 1η μορφή μετάβασης της κίνησης μέσω χαοτικών συγκρούσεων μορίων δύο σωμάτων που έρχονται σε επαφή, δηλ. με θερμική αγωγιμότητα (και ταυτόχρονα με ακτινοβολία). Το μέτρο της κίνησης που μεταδίδεται με αυτόν τον τρόπο είναι η θερμότητα. Εννοια ζεστασιάσυνδέεται με τη συμπεριφορά ενός τεράστιου αριθμού σωματιδίων - ατόμων, μορίων, ιόντων. Βρίσκονται σε συνεχή χαοτική (θερμική) κίνηση. Η θερμότητα είναι μια μορφή μεταφοράς ενέργειας. Ο δεύτερος τρόπος ανταλλαγής ενέργειας είναι Δουλειά.Αυτή η ανταλλαγή ενέργειας προκαλείται από μια ενέργεια που εκτελείται από το σύστημα ή μια ενέργεια που εκτελείται σε αυτό. Συνήθως το έργο υποδεικνύεται με το σύμβολο W. Το έργο, όπως και η θερμότητα, δεν είναι συνάρτηση της κατάστασης του συστήματος, επομένως η ποσότητα που αντιστοιχεί σε απειροελάχιστο έργο συμβολίζεται με το σύμβολο μερικής παραγώγου - W.
