Дәріс №2 Тақырыбы: Химиялық термодинамиканың негіздері

1.1.Термодинамикалық жүйелер түрлері. Негізгі термодинамикалық ұғымдар. Жылу мен жұмыс.

1.2.Термодинамиканың бірінші бастамасы. Ішкі энергия.Термохимия негіздері. Гесс заңы және оның салдарлары. Термодинамикалық процесс. Өздігінен жүретін, өздігінен жүрмейтін, қайтымды және қайтымсыз процестер.

1.3.Энтропия.Термодинамиканың екінші және үшінші бастамалары. Термодинамиканың екінші бастамасының статикалық сипаттамасы. Термодинамикалық тепе-теңдік. Гиббс бойынша жүйе тұрақтылығының шарты. Метастабильдік күй. Химиялық тепе-теңдік.

Термодинамика терминiн ең алғаш рет 1854 жылы В.Томсон енгiздi, бұл термин ''жылу'' мен ''жұмыс'' деген ұғымды бiлдiредi. Термодинамикадағы оқу-зерттеу объектiсi термодинамикалық жүйе болып табылады. Жүйе деген қоршаған ортадан ойша немесе нақты бөлiп алынған материалдық объектiлердiң жиынтығы, денелер тобы. Жүйе жай және күрделi болуы мүмкiн, яғни бiр немесе бiрнеше заттан тұрады, гомогендi не гетерогендi болады. Жүйе әр түрлi қасиетке ие, мысалы анықталған белгiлi температура, қысым, көлем т.б. Бiз сырттан әсер болмаса қасиетi уақытқа сәйкес өзгермейтiн жүйены қарастырамыз. Егер жүйеға механикалық, жылу, электрлiк т.б. әсерлер болса, онда оның қасиеттерi өзгередi. Жүйены құрайтын объектiлердiң арасында жылу немесе зат алмасу болса және жүйе термодинамикалық параметрлермен сипатталатын болса, оны ТЕРМОДИНАМИКАЛЫҚ ЖҮЙЕ деп атайды.

Термодинамикалық жүйены қоршаған ортадан бөлiп тұратын дәл кеңiстiк шекарасы бар. Бұндай шекараға физикалық беттiк бөлiнулер немесе ойша бөлектенген ортаны айтады. Жүйеның қоршаған ортамен әрекеттесу сипатына қарай ашық, жабық және изоляцияланған жүйе болып бөлiнедi.

Термодинамика негiзiнен термодинамиканың бiрiншi және екiншi заңдары деп аталатын екi заңдылыққа сүйенедi. Олардың екеуi де өмiрдегi, өндiрiстегi тәжiрибелердi жинақтап, қорытып, тұжырымдаудан пайда болған.

Термодинамика мынадай тараулардан тұрады: энергияның бiр күйден екiншiге түрленуiндегi жалпы заңдылықты зерттейтiн жалпы немесе физикалық термодинамика, жылу машиналарындағы жылу мен механикалық жұмыстың өзара айналуын, яғни жылудың жұмысқа, жұмыстың жылуға алмасуын қарастыратын техникалық термодинамика, химиялық реакция, еру, кристалдану, адсорбция сияқты процестердегi энергия түрлерiнiң өзара алмасуын, айналуын анықтап, есептейтiн химиялық термодинамика. Сол сияқты, химиялық термодинамика тек химиялық т.б. энергиялардағы ара қатынасты зерттеп қана қоймай, белгiлi жағдайдағы химиялық процестердiң мүмкiндiгi мен өздiгiнен жүру шегiн айқындайды. Ендеше химиялық термодинамика химиялық өндiрiс пен технологиялық процестер негiзi болып саналатын физикалық-химиялық құбылыстарды нақты түсiнiп, сауатты есептеп, ұтымды басқаруға көмектеседi. Термодинамикалық (т.д.) әдiстегi есептеулердi өндiрiстiң саласына қолдану оларды жаңа сатыға көтередi. Қазiргi кезде т.д. әдiс металлургиялық процестерде, пластикалық масса (пластмасса), тыңайтқыш, химиялық талшық өндiрiсiнде, отынды химиялық әдiспен кеңiнен қолданылуда.

Термодинамика классикалық және статистикалық болып бөлiнедi. Классикалық (дәстүрлi) термодинамика жекелеген атом, молекула сияқты бөлшектердi емес, бу машиналарының iштен жанатын двигательдердiң жұмыс iстеу ерекшелiктерiн, сұйықты қайнатып айдау, кристалдану, электролиз сияқты микроскопиялық жүйелердi зерттейдi. Ал статистикалық т.д. жекеленген атом, молекула секiлдi бөлшектердi қарастырады, олардың бiрiккен сипаты мен қасиеттерiн айқындайды. Термодинамиканың кейде энергетика деп те атайды. Оның көмегiмен белгiлi процесс кезiнде алынатын барынша тиiмдi, мейлiнше пайдалы жұмысты болжап айтуға, тепе-теңдiк күйдi анықтауға, жоғары шығымды, жүрiп жатқан реакция үшiн тиiмдi температураны, қысымды, ерiткiш ортаны т.с.с. бiлуге болады. Сондай-ақ т.д. берiлген реакцияның жүру, жүрмеуiн, бағытын анықтайды. Бiрақ осы реакция жүру үшiн қанша уақыт қажет, ол қандай жолмен жүредi деген сауалдарға жауап бере алмайды. Термодинамикалық жүйеның күйi көлем, қысым, температура, масса, химиялық құрам сияқты параметрлермен және химиялық қасиеттердiң жиынтығымен сипатталады.

Сипаттаманың интенсивтi және экстенсивтi қасиеттерi бар. Жүйелар түйiскенде теңелетiн және массаға тәуелсiз қасиеттер жүйеның интенсивтi қасиеттерi деп аталады (температура: қысым, тығыздық, концентрация, химиялық потенциал). Массаға тәуелдi қасиеттер экстенсивтi қасиеттер деп аталады. Бұндай жүйеның қасиеттерi не көлем, масса, жылу сыйымдылық, iшкi энергия, энтальпия, энтропия, термодинамикалық потенциалдар жатады. Экстенсивтi параметрлер жүйедағы заттың санына пропорционалды. Ал интенсивтiк параметрлер заттың мөлшерiне тәуелдi емес. Жүйе күйiндегi параметрлердiң кез келген өзгерiсi процесс деп аталады. Оқулықта жиi кездесетiн процестердiң кейбiр түрлерi мыналар:

• 
  Изометриялық процесс (T=const)
  
• 
  Изобаралық процесс (P=const)
  
• 
  Изохоралық процесс (V=const)
  
• 
  Адиабаталық процесс (Q=0)
  
• 
  Изобара-изометриялық процесс (P=const; T=const)
  
• 
  Изохора-изометриялық процесс (V=const; T=const)
  

Жүйенің тепе-теңдiк күйiн уақыт өткен сайын қасиетi өзгерiссiз қалатын тұрақты күйден ажырата бiлу қажет. Бұл процестегi жүйе тепе-теңдiктегi бiразынан үздiксiз өтсе, оларды тепе-теңдiктегi немесе квази теңдiктегi деп атайды. Бұл жағдайда қарастырып отырған жүйе iшiндегi тепе-теңдiктi және оның жекелеген бөлiктерi арасындағы, сол сияқты жүйеның өзiн қоршаған ортамен шектелген шекарасындағы тепе-теңдiктi де қосады. Мұндағы жекеленген бөлiктер мен жүйены қоршаған орта арасындағы әрекет процесс сипатына ешбiр нұқсан келтiрмейдi. Егер қоршаған ортадағы процесс те тепе-теңдiкте болса, онда қарастырылатын жүйеның кез-келген аралықтан немесе соңғы күйден бастапқы қалыпқа (күйге) оралу мүмкiндiгiн болады және осы кездерде сыртқы ортада ешқандай өзгерiс қалмайды. Мұндай процестердi ҚАЙТЫМДЫ деп атайды. Тепе-теңдiктегi және қайтымды процестер өте баяу жүредi. Осы шартқа орай газ көлемi азайғандағы жұмыс ең аз, ал газ көлемi көбейгендегi жұмыс ең көп болады.

U=U₂U₁; U=A+Q

мұндағы: Q - жылу.

А - жұмыс.