Модуль Химиялық термодинамика және тепе-тендік Дәріс Химиялық термодинамиканың негіздері

1. 
   Физикалық химияның қалыптасуы, мақсаттары, міндеттері.
   
2. 
   Химиялық термодинамикаға кіріспе.
   
3. 
   Негізгі түсініктер, анықтамалар және шамалар
   

Алғашқы кезде термодинамика жылу мен жұмыстың бір-біріне түрленуін қарастырды, сондықтан да термодинамика (термо грекше – жылу, температура, динамика – күш, жұмыс, қозғалыс) деп аталды.

Х1Х ғасырдың екінші жартысында термодинамиканың зерттелу ауқымы кеңейе бастады. Қазіргі кезде термодинамика заңдарына негізделіп электрлік және тоңазытқыш машиналарындағы, бу трубиналарындағы, іштен жанатын двигательдегі, гальваникалық элементтегі принциптерді, әр түрлі химиялық реакциялар мен биологиялық құбылыстар, жер қыртысындағы және атмосфералық құбылыстар зерттелінеді.

Сонымен энергияның бір түрден басқа бір түрге айналу заңдылықтарын зерттейтін ғылым термодинамика деп аталады. Химиялық термодинамика мынадай негізгі мәселелерді қарастырады:

а) әр түрлі химиялық заттардың немесе бір заттың әр түрлі фазаларының тепе-теңдікте болу жағдайлары;

ә) белгілі бір жағдайда химиялық реакцияның немесе фазалар түрленуінің өздігінен жүру мүмкіндігі;

б) химиялық реакция кезіндегі жылу мен энергияның басқа түрлерінің қарым-қатынсатары;

в) тепе-теңдік және химиялық реакцияның бағыты туралы мәселелерді сандық түрде көрсететін қасиеттерді өлшеу тәсілдеріне негіз болатын принциптер.

Термодинамика төрт постулатқа негізделген. Оларды термодинамиканың бастамасы, заңы немесе принципі деп те атайды.

Термодинамиканың нөлінші заңы басқаша жылу тепе – теңдігінің өтпелігі туралы заң деп аталады. Оны 1931 жылы Р. Фаулер ұсынған.

Термодинамиканың бірінші заңы басқаша энергияның сақталу заңы ретінде де белгілі. Ол заңды жалпы ең алғаш 1748 жылы М. В. Ломоносов ұсынды.

Кеиінірек Г. И. Гесс, Р. Майер, Д. П. Джоуль, Г. Гельмгольцтердің еңбектерінің нәтежесінде ол заң одан әрі зерттеліп, қазіргі түсініктемесіне ие болды.

Басқа пәндер сияқты термодинамиканың да өз түсініктері, терминдері және шамалары болады. Солардың негізгілеріне тоқталып өтейік.

Айналадағы ортадан ойша бөлінген дене немесе өзара әрекеттескен денелер тобы термодинамикалық жүйе деп аталады.

Термодинамиканың зерттейтін негізгі нысаны жүйе.

Қоршаған орта дегеніміз жүйемен тура немесе жанама байланыста болатынның барлығы. Қоршаған ортамен әрекеттесу сипатына орай ашық, жабық және оқшауланған жүйелер түрлері болады.

Жүйенің барлық физикалық және химиялық қасиеттерінің жиынтығын жүйенің күйі дейді. Жүйенің күйі термодинамикалық параметрлермен (температура, қысым, көлем, концентрация) сипатталады.

Жүйе күйінің параметрлері экстенсивтік және интенсивтік болып екіге бөлінеді. Экстенсивтік параметрлер жүйедегі заттардың мөлшеріне пропорционал болады. Оларға көлем, масса т.б. жатады. Интенсивтік параметрлер жүйедегі заттардың мөлшеріне байланыссыз болады. Оларға температура, қысым, тұтқырлық, концентрация және т.б. жатады.

Жүйе күйінің қандай болса да параметрлерінің өзгеруін процесс деп атайды. Мынадай процестер жиі-жиі қарастырылады. Тұрақты температурада (Т=const) жүретін процестер изотермиялық процестер деп аталады; егер қысым тұрақты болса (Р=const)- онда изобаралық процесс, ал көлем тұрақты болса (V=const), онда изохоралық процестер жүреді.Егер жүйе мен айналадағы орта арасында жылу алмасуы болмаса,онда жүретін процесс адиабаттық процесс деп аталады. Егер әрі көлем,әрі температура тұрақты болса,,онда изохорлық-изотермиялық процестер туралы сөз болады,егер қысым мен температура тұрақты болса,,онда процесс изобаралық–изотермиялық болып есептеледі.

Жүйе күйінің параметрлері біраз өзгерістерден кейін бастапқы күйге қайта оралса,онда болған процесс айналымды процесс немесе цикл деп аталады. Бұдан басқа қайтымды және қайтымсыз термодинамикалық процестер болады. Қайтымды процесте жүйе энергия жұмсамай-ақ өзінің алғашқы күйіне келе алады. Қайтымды термодинамикалық процестерге өте баяу жүретін процестер жатады. Қайтымды процестердің шартын қанағаттандыра алмайтын процестер қайтымсыз процесс деп аталады.

Тікелей өлшенетін параметрлерді (температура, қысым, көлем, концентрация) жүйенің негізгі күй парметрлері деп атайды. Тікелей өлшенуге келмейтін күй параметрлерін (ішкі энергия, энтальпия, энтропия, термодинамикалық потенциал) жүйенің күй функциясы дейді.

1. 
   Термодинамикалық жүйе дегеніміз не?
   
2. 
   Термодинамиканың 1-ші заңының қандай анықтамаларын білесіз.
   
3. 
   Қандай жүйелерді ашық, жабық, оқшауланған дейміз?
   
4. 
   Қайтымды және қайтымсыз процестер дегеніміз не? Мысал келтіріңіз.
   
5. 
   Жүйенің ішкі энергиясының анықтамасы.
   
6. 
   Сізге белгілі барлық күй функцияларын атаңыз.
   

1. 
   Термодинамиканың бірінші заңы, оны кейбір процестерде қолданылуы
   
2. 
   Жылусыйымдылық
   
3. 
   Химиялық реакциялардың жылу эффектілері. Гесс заңы.
   
4. 
   Жылу эффектісінің температурадан тәуелділігі (Кирхгоф заңдылығы)
   

Бұл изоляцияланған жүйеде энергияның жалпы қоры тұрақты болатынын аңғартады. Термодинамиканың бірінші заңы жұмыс,жылу және жүйенің ішкі энергиясының өзгеруінің арасындағы байланысты көрсетеді.

Жүйе күйінің соңғы өзгерісі үшін термодинамиканың бірінші заңы келесідей теңдеумен көрсетіледі:

(2.1)

– жүйеге берілген немесе жүйеден шығарылған жылу

–ішкі энергия өзгерісі

– жүйемен істелген жалпы жұмыс

(2.2)

Бұл теңдеу термодинамиканың 1-ші заңының математикалық өрнегі болып табылады. Жүйеге берілген немесе жүйеден шығарылған жылу мөлшері ішкі энергияның өзгерісіне және жұмыс жасауға кетеді.

Әртүрлі термодинамикалық процестер үшін термодинамиканың 1-ші заңының математикалық теңдеуі келесідей түрде жазылады.

Изобаралық процесс ( p = сonst )


; (2.3)
Изобаралық процесте жылу мөлшері энтальпияның өзгеру шегі болып табылады.

Изохоралық процесс (V= сonst)


; (2.4)
Жүйеге берілген жылу мөлшері ішкі энергия өзгерісіне жұмсалады. Бұл процесте ешбір жұмыс жүргізілуі мүмкін емес.

Изотермиялық процесс (Т = сonst)
(2.5)

Жүйеге тиісті жылу толығымен ұлғаю жұмысына айналады. 1 моль газ үшін pV=RT болғанда, теңдеу келесідей түрде болады:

Термодинамиканың бірінші заңын адиабаттық процестерге қолданбай тұрып, жылусыйымдылығы ұғымына толығырақ тоқталып өтейік.

Заттардың жылусыйымдылығы температураға тәуелді, сондықтан жылусыйымдылықтың мәні нақтылы және орташа болып бөлінеді. Нақтылы жылусыйымдылық деп, дененің алған шексіз аз жылу мөлшерінің сәйкесінше оның температура туындысына қатынасын айтамыз:

Тұрақты көлемде денеге берілген жылу мөлшері ішкі энергия өзгерісіне тең. . Нақтылы жылусыйымдылық мына теңдеумен өрнектеледі:

Химиялық реакцияның жылу эффектісі процестің жүру жолына тәуелсіз, ол тек жүйенің бастапқы және соңғы күйлерімен анықталады. Реакцияның жылу эффектісін стандартты жағдайда (р -1,01310⁵ Па, Т- 298 К ) жану және түзілу жылуы бойынша есептейді.

Стандартты жағдайда реакцияның жылу эффектісі сәйкесінше стехиометриялық коэффициенттерге көбейтілген реакция өнімдері мен бастапқы заттардың түзілу жылулар қосындыларының айырымына тең:

Стандартты жағдайда реакцияның жылу эффектісі сәйкесінше стехиометриялық коэффициенттерге көбейтілген бастапқы заттар мен реакция өнімдерінің жану жылулар қосындыларының айырымына тең:

Химиялық реакция жылу эффектісінің температураға тәуелдігі Кирхгоф теңдеуімен интегралды түрде өрнектеледі:

Химиялық реакция жылу эффектісіне температураның әсері мәнінің таңбасымен анықталады.

1) > 0 кезінде реакция жылу эффектісі температура өскен сайын артады: > 0

2) < 0 кезінде реакция жылу эффектісі температура өскен сайын кемиді: < 0

3) = 0 кезінде реакцияның жылу эффектісі температурға тәуелсіз = 0

Бақылау сұрақтары

1. 
   Термодинамикалық жүйе дегеніміз не?
   
2. 
   Термодинамиканың 1-ші заңының қандай анықтамаларын білесіз.
   
3. 
   Қандай жүйелерді ашық, жабық, оқшауланған дейміз?
   
4. 
   Қайтымды және қайтымсыз процестер дегеніміз не? Мысал келтіріңіз.
   
5. 
   Жүйенің ішкі энергиясының анықтамасы.
   
6. 
   Сізге белгілі барлық күй функцияларын атаңыз.
   
7. 
   Химиялық реакция жылу эффектісі дегеніміз не?
   
8. 
   Гесс заңы және оның салдарының анықтамасын айтыңыз.
   
9. 
   Стандартты түзілу және жану жылуы дегеніміз не?
   
10. 
    Стандартты жағдайда реакция жылу эффектісін түзілу және жану жылулары арқылы қалай есептейміз?
    
11. 
    Жүйе энтальпиясы мен ішкі энергия арасында қандай байланыс бар?
    
12. 
    Меншікті, мольдік, орташа және нақтылы жылусыйымдылық дегеніміз не?
    
13. 
    Идеалды газдар үшін мольдік жылусыйымдылықтары С_v және С_Р қатынасы қалай?
    
14. 
    Реакция жылу эффектісінің температурадан тәуелділік теңдеуінің дифференциалдық түрін көрсетіңіз. Кирхгофф заңы.
    
15. 
    Реакция барысында кейбір температура аралығында жылусыйымдылық өзгерісі нольден кіші болса, температура өскен сайын реакция жылу эффектісі қалай өзгереді?
    

1. 
   Термодинамиканың екінші заңы. Әртүрлі процестердегі энтропия өзгерісі.
   
2. 
   Химиялық реакциядағы бос энергия. Термодинамикалық потенциалдар.
   
3. 
   Гиббс-Гельмгольц теңдеуі
   

Термодинамиканың екінші заңы процестердің қайтымды және қайтымсыз болуымен байланысты. Қайтымды процесс деп тура және кері бағытта, ал қайтымсыз деп тек бір ғана бағытта жүретін процестерді айтамыз.

Екінші заңның негізгі күй функциясы – энтропия(S). Энтропия – жүйенің біртекті күй функциясы. Энтропия өзгерісі процестің өту жолына тәуелсіз, тек алғашқы және соңғы күйіне байланысты.

Қайтымды және қайтымсыз процестер үшін термодинамиканың 2-ші заңы былай жазылады: