Algunos elementos de los fundamentos de la termodinámica química comienzan a ser considerados en la escuela secundaria. En las lecciones de química, los estudiantes se encuentran por primera vez con conceptos tales como procesos reversibles e irreversibles, equilibrio químico, efecto térmico y muchos otros. En el curso de física de la escuela, aprenden sobre la energía interna, el trabajo, los potenciales e incluso se familiarizan con la primera ley de la termodinámica.
Definición de termodinámica
Estudiantes de universidades y colegios de especialidades de ingeniería química estudian la termodinámica en detalle en el marco de la química física y/o coloidal. Este es uno de los temas fundamentales, cuya comprensión le permite realizar los cálculos necesarios para el desarrollo de nuevas líneas de producción tecnológicas y equipos para ellos, resolviendo problemas en esquemas tecnológicos existentes.
La termodinámica química suele denominarse una de las ramas de la química física que estudia los macrosistemas químicos y los procesos relacionados en función de las leyes generales sobre la transformación del calor, el trabajo y la energía entre sí.
Se basa en tres postulados, que a menudo se denominan principios de la termodinámica. Ellos no tienenbase matemática, sino que se basan en la generalización de datos experimentales que han sido acumulados por la humanidad. Numerosas consecuencias se derivan de estas leyes, que forman la base de la descripción del mundo circundante.
Tareas
Las tareas principales de la termodinámica química incluyen:
- un estudio exhaustivo, así como una explicación de los patrones más importantes que determinan la dirección de los procesos químicos, su velocidad, las condiciones que los afectan (ambiente, impurezas, radiación, etc.);
- cálculo del efecto energético de cualquier proceso químico o fisicoquímico;
- detección de condiciones para el máximo rendimiento de productos de reacción;
- determinación de criterios para el estado de equilibrio de varios sistemas termodinámicos;
- establecer los criterios necesarios para el flujo espontáneo de un determinado proceso físico-químico.
Objeto y objeto
Esta sección de la ciencia no pretende explicar la naturaleza o el mecanismo de ningún fenómeno químico. Ella solo está interesada en el lado energético de los procesos en curso. Por lo tanto, el tema de la termodinámica química se puede llamar energía y las leyes de conversión de energía en el curso de reacciones químicas, la disolución de sustancias durante la evaporación y cristalización.
Esta ciencia hace posible juzgar si tal o cual reacción es capaz de proceder bajo ciertas condiciones precisamente desde el lado energético de la cuestión.
Los objetos de su estudio se denominan balances térmicos de procesos físicos y químicos, fasetransiciones y equilibrios químicos. Y sólo en sistemas macroscópicos, es decir, aquellos que están formados por una enorme cantidad de partículas.
Métodos
La sección termodinámica de la química física utiliza métodos teóricos (cálculo) y prácticos (experimentales) para resolver sus principales problemas. El primer grupo de métodos permite relacionar cuantitativamente distintas propiedades, y calcular algunas de ellas a partir de los valores experimentales de otras, utilizando los principios de la termodinámica. Las leyes de la mecánica cuántica ayudan a establecer las formas de describir y las características del movimiento de las partículas, a conectar las cantidades que las caracterizan con los parámetros físicos determinados en el curso de los experimentos.
Los métodos de investigación de la termodinámica química se dividen en dos grupos:
- Termodinámica. No tienen en cuenta la naturaleza de sustancias específicas y no se basan en ninguna idea modelo sobre la estructura atómica y molecular de las sustancias. Estos métodos suelen denominarse fenomenológicos, es decir, establecen relaciones entre cantidades observadas.
- Estadística. Se basan en la estructura de la materia y los efectos cuánticos, permiten describir el comportamiento de los sistemas a partir del análisis de los procesos que ocurren a nivel de los átomos y sus partículas constituyentes.
Ambos enfoques tienen sus ventajas y desventajas.
| Método | Dignidad | Defectos |
| Termodinámica |
Debido a la granla generalidad es bastante simple y no requiere información adicional, mientras que resuelve problemas específicos |
No revela el mecanismo del proceso |
| Estadístico | Ayuda a comprender la esencia y el mecanismo del fenómeno, ya que se basa en ideas sobre átomos y moléculas | Requiere una preparación exhaustiva y una gran cantidad de conocimientos |
Conceptos básicos de termodinámica química
Un sistema es cualquier objeto de estudio macroscópico material, aislado del entorno externo, y el límite puede ser tanto real como imaginario.
Tipos de sistemas:
- cerrado (cerrado) - caracterizado por la constancia de la masa total, no hay intercambio de materia con el medio ambiente, sin embargo, el intercambio de energía es posible;
- abierto - intercambia energía y materia con el medio ambiente;
- aislado - no intercambia energía (calor, trabajo) o materia con el ambiente externo, mientras tiene un volumen constante;
- adiabático-aislado: no solo tiene intercambio de calor con el medio ambiente, sino que puede asociarse con el trabajo.
Los conceptos de contactos térmicos, mecánicos y de difusión se utilizan para indicar el método de intercambio de energía y materia.
Los parámetros de estado del sistema son cualquier macrocaracterística medible del estado del sistema. Pueden ser:
- intenso - independiente de la masa (temperatura, presión);
- extensivo (capacitivo) - proporcional a la masa de la sustancia (volumen,capacidad calorífica, masa).
La termodinámica química toma prestados todos estos parámetros de la física y la química, pero adquieren un contenido ligeramente diferente, ya que se consideran en función de la temperatura. Es gracias a este valor que las distintas propiedades están interconectadas.
El equilibrio es un estado de un sistema en el que se encuentra bajo condiciones externas constantes y se caracteriza por una constancia temporal de los parámetros termodinámicos, así como por la ausencia de materiales y flujos de calor en él. Para este estado se observa la constancia de presión, temperatura y potencial químico en todo el volumen del sistema.
Procesos de equilibrio y no equilibrio
El proceso termodinámico ocupa un lugar especial en el sistema de conceptos básicos de la termodinámica química. Se define como cambios en el estado del sistema, que se caracterizan por cambios en uno o más parámetros termodinámicos.
Los cambios en el estado del sistema son posibles bajo diferentes condiciones. En este sentido, se hace una distinción entre procesos de equilibrio y de no equilibrio. Un proceso de equilibrio (o cuasi-estático) se considera como una serie de estados de equilibrio de un sistema. En este caso, todos sus parámetros cambian infinitamente lento. Para que dicho proceso tenga lugar, se deben cumplir una serie de condiciones:
- Diferencia infinitamente pequeña en los valores de las fuerzas actuantes y opuestas (presión interna y externa, etc.).
- Velocidad del proceso infinitamente lenta.
- Trabajo máximo.
- Un cambio infinitesimal en la fuerza externa cambia la dirección del flujoproceso inverso.
- Los valores del trabajo de los procesos directo e inverso son iguales, y sus caminos son los mismos.
El proceso de cambiar el estado de no equilibrio del sistema al equilibrio se denomina relajación, y su duración se denomina tiempo de relajación. En termodinámica química, a menudo se toma el mayor valor del tiempo de relajación para cualquier proceso. Esto se debe al hecho de que los sistemas reales abandonan fácilmente el estado de equilibrio con los flujos emergentes de energía y/o materia en el sistema y no están en equilibrio.
Procesos reversibles e irreversibles
El proceso termodinámico reversible es la transición de un sistema de uno de sus estados a otro. Puede fluir no solo en la dirección de avance, sino también en la dirección opuesta, además, a través de los mismos estados intermedios, mientras que no habrá cambios en el entorno.
Irreversible es un proceso en el que la transición del sistema de un estado a otro es imposible, no acompañada de cambios en el entorno.
Los procesos irreversibles son:
- transferencia de calor a diferencia de temperatura finita;
- expansión de un gas en el vacío, ya que no se realiza trabajo durante la misma, y es imposible comprimir el gas sin hacerlo;
- difusión, ya que después de la eliminación, los gases se difundirán fácilmente entre sí, y el proceso inverso es imposible sin hacer trabajo.
Otros tipos de procesos termodinámicos
El proceso circular (ciclo) es tal proceso, duranteel cual el sistema se caracterizó por un cambio en sus propiedades, y al final del mismo volvió a sus valores originales.
Dependiendo de los valores de temperatura, volumen y presión que caracterizan el proceso, en termodinámica química se distinguen los siguientes tipos de procesos:
- Isotérmico (T=constante).
- Isobárico (P=constante).
- Isocórico (V=constante).
- Adiabático (Q=constante).
Las leyes de la termodinámica química
Antes de considerar los postulados principales, es necesario recordar la esencia de las cantidades que caracterizan el estado de varios sistemas.
La energía interna U de un sistema se entiende como el stock de su energía, que consiste en las energías de movimiento e interacción de las partículas, es decir, todos los tipos de energía excepto la energía cinética y su energía potencial de posición. Determinar su cambio ∆U.
La entalpía H a menudo se denomina energía del sistema expandido, así como su contenido de calor. H=U+pV.
Calor Q es una forma desordenada de transferencia de energía. El calor interno del sistema se considera positivo (Q > 0) si se absorbe calor (proceso endotérmico). Es negativo (Q < 0) si se libera calor (proceso exotérmico).
El trabajo A es una forma ordenada de transferencia de energía. Se considera positiva (A>0) si la realiza el sistema contra fuerzas externas, y negativa (A<0) si la realizan fuerzas externas sobre el sistema.
El postulado básico es la primera ley de la termodinámica. Hay muchossus formulaciones, entre las que se pueden distinguir las siguientes: "La transición de energía de un tipo a otro se produce en cantidades estrictamente equivalentes".
Si el sistema hace una transición del estado 1 al estado 2, acompañada de la absorción de calor Q, que, a su vez, se gasta en cambiar la energía interna ∆U y realizar el trabajo A, entonces matemáticamente este postulado es escrito por las ecuaciones: Q=∆U +A o δQ=dU + δA.
La segunda ley de la termodinámica, como la primera, no se deriva teóricamente, sino que tiene el estatus de postulado. Sin embargo, su fiabilidad se confirma por las consecuencias de su correspondencia con las observaciones experimentales. En química física, la siguiente formulación es más común: "Para cualquier sistema aislado que no esté en un estado de equilibrio, la entropía aumenta con el tiempo y su crecimiento continúa hasta que el sistema entra en un estado de equilibrio".
Matemáticamente, este postulado de la termodinámica química tiene la forma: dSisol≧0. El signo de desigualdad en este caso indica el estado de no equilibrio, y el signo "=" indica equilibrio.
