रासायनिक ऊष्मागतिकी के मूल सिद्धांतों के कुछ तत्वों पर हाई स्कूल में विचार किया जाने लगा। रसायन विज्ञान के पाठों में, छात्र पहली बार प्रतिवर्ती और अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं, रासायनिक संतुलन, थर्मल प्रभाव और कई अन्य जैसी अवधारणाओं से परिचित होते हैं। स्कूल भौतिकी पाठ्यक्रम से, वे आंतरिक ऊर्जा, कार्य, क्षमता के बारे में सीखते हैं, और यहां तक कि ऊष्मागतिकी के पहले नियम से भी परिचित होते हैं।
ऊष्मप्रवैगिकी की परिभाषा
केमिकल इंजीनियरिंग विशिष्टताओं के विश्वविद्यालयों और कॉलेजों के छात्र भौतिक और/या कोलाइडल रसायन विज्ञान के ढांचे के भीतर थर्मोडायनामिक्स का विस्तार से अध्ययन करते हैं। यह मूलभूत विषयों में से एक है, जिसकी समझ आपको मौजूदा तकनीकी योजनाओं में समस्याओं को हल करने, उनके लिए नई तकनीकी उत्पादन लाइनों और उपकरणों के विकास के लिए आवश्यक गणना करने की अनुमति देती है।
रासायनिक थर्मोडायनामिक्स को आमतौर पर भौतिक रसायन विज्ञान की शाखाओं में से एक कहा जाता है जो गर्मी, कार्य और ऊर्जा के एक दूसरे में परिवर्तन पर सामान्य कानूनों के आधार पर रासायनिक मैक्रोसिस्टम और संबंधित प्रक्रियाओं का अध्ययन करता है।
यह तीन अभिधारणाओं पर आधारित है, जिन्हें अक्सर ऊष्मागतिकी के सिद्धांत कहा जाता है। उनके पास नहीं हैगणितीय आधार, लेकिन मानव जाति द्वारा संचित किए गए प्रयोगात्मक डेटा के सामान्यीकरण पर आधारित हैं। इन कानूनों से कई परिणाम निकलते हैं, जो आसपास की दुनिया के विवरण का आधार बनते हैं।
कार्य
रासायनिक ऊष्मागतिकी के मुख्य कार्यों में शामिल हैं:
- एक गहन अध्ययन, साथ ही सबसे महत्वपूर्ण पैटर्न की व्याख्या जो रासायनिक प्रक्रियाओं की दिशा, उनकी गति, उन्हें प्रभावित करने वाली स्थितियों (पर्यावरण, अशुद्धियों, विकिरण, आदि) को निर्धारित करती है;
- किसी रासायनिक या भौतिक-रासायनिक प्रक्रिया के ऊर्जा प्रभाव की गणना;
- प्रतिक्रिया उत्पादों की अधिकतम उपज के लिए स्थितियों का पता लगाना;
- विभिन्न थर्मोडायनामिक प्रणालियों के संतुलन की स्थिति के लिए मानदंड का निर्धारण;
- किसी विशेष भौतिक और रासायनिक प्रक्रिया के सहज प्रवाह के लिए आवश्यक मानदंड स्थापित करना।
वस्तु और वस्तु
विज्ञान के इस खंड का उद्देश्य किसी रासायनिक घटना की प्रकृति या तंत्र की व्याख्या करना नहीं है। वह केवल चल रही प्रक्रियाओं के ऊर्जा पक्ष में रुचि रखती है। इसलिए, रासायनिक थर्मोडायनामिक्स के विषय को ऊर्जा कहा जा सकता है और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के दौरान ऊर्जा रूपांतरण के नियम, वाष्पीकरण और क्रिस्टलीकरण के दौरान पदार्थों का विघटन।
यह विज्ञान यह तय करना संभव बनाता है कि क्या यह या वह प्रतिक्रिया मुद्दे के ऊर्जा पक्ष से कुछ शर्तों के तहत आगे बढ़ने में सक्षम है।
इसके अध्ययन की वस्तुओं को भौतिक और रासायनिक प्रक्रियाओं का ताप संतुलन कहा जाता है, चरणसंक्रमण और रासायनिक संतुलन। और केवल स्थूल प्रणालियों में, अर्थात्, जिनमें बड़ी संख्या में कण होते हैं।
तरीके
भौतिक रसायन विज्ञान का थर्मोडायनामिक खंड इसकी मुख्य समस्याओं को हल करने के लिए सैद्धांतिक (गणना) और व्यावहारिक (प्रयोगात्मक) विधियों का उपयोग करता है। विधियों का पहला समूह आपको विभिन्न गुणों को मात्रात्मक रूप से संबंधित करने की अनुमति देता है, और उनमें से कुछ की गणना ऊष्मप्रवैगिकी के सिद्धांतों का उपयोग करके दूसरों के प्रयोगात्मक मूल्यों के आधार पर की जाती है। क्वांटम यांत्रिकी के नियम कणों की गति का वर्णन करने के तरीकों और विशेषताओं को स्थापित करने में मदद करते हैं, उन मात्राओं को जोड़ने के लिए जो उन्हें प्रयोगों के दौरान निर्धारित भौतिक मापदंडों के साथ जोड़ते हैं।
रासायनिक ऊष्मागतिकी की अनुसंधान विधियों को दो समूहों में बांटा गया है:
- ऊष्मप्रवैगिकी। वे विशिष्ट पदार्थों की प्रकृति को ध्यान में नहीं रखते हैं और पदार्थों की परमाणु और आणविक संरचना के बारे में किसी भी मॉडल विचारों पर आधारित नहीं हैं। इस तरह के तरीकों को आमतौर पर फेनोमेनोलॉजिकल कहा जाता है, यानी प्रेक्षित मात्राओं के बीच संबंध स्थापित करना।
- सांख्यिकीय। वे पदार्थ की संरचना और क्वांटम प्रभावों पर आधारित हैं, परमाणुओं और उनके घटक कणों के स्तर पर होने वाली प्रक्रियाओं के विश्लेषण के आधार पर प्रणालियों के व्यवहार का वर्णन करने की अनुमति देते हैं।
इन दोनों तरीकों के अपने फायदे और नुकसान हैं।
| विधि | गरिमा | खामियां |
| ऊष्मागतिकी | बड़े होने के कारणसामान्यता काफी सरल है और विशिष्ट समस्याओं को हल करते समय अतिरिक्त जानकारी की आवश्यकता नहीं होती है | प्रक्रिया तंत्र को प्रकट नहीं करता |
| सांख्यिकीय | घटना के सार और तंत्र को समझने में मदद करता है, क्योंकि यह परमाणुओं और अणुओं के बारे में विचारों पर आधारित है | पूरी तैयारी और बड़ी मात्रा में ज्ञान की आवश्यकता है |
रासायनिक ऊष्मागतिकी की बुनियादी अवधारणाएँ
एक प्रणाली अध्ययन की कोई भी सामग्री मैक्रोस्कोपिक वस्तु है, जो बाहरी वातावरण से अलग है, और सीमा वास्तविक और काल्पनिक दोनों हो सकती है।
सिस्टम के प्रकार:
- बंद (बंद) - कुल द्रव्यमान की स्थिरता द्वारा विशेषता, पर्यावरण के साथ पदार्थ का कोई आदान-प्रदान नहीं होता है, हालांकि, ऊर्जा विनिमय संभव है;
- खुला - पर्यावरण के साथ ऊर्जा और पदार्थ दोनों का आदान-प्रदान करता है;
- पृथक - बाहरी वातावरण के साथ ऊर्जा (गर्मी, काम) या पदार्थ का आदान-प्रदान नहीं करता है, जबकि इसकी मात्रा स्थिर होती है;
- एडियाबेटिक-पृथक - न केवल पर्यावरण के साथ गर्मी का आदान-प्रदान होता है, बल्कि काम से जुड़ा जा सकता है।
ऊष्मीय, यांत्रिक और प्रसार संपर्कों की अवधारणाओं का उपयोग ऊर्जा और पदार्थ विनिमय की विधि को इंगित करने के लिए किया जाता है।
सिस्टम स्थिति पैरामीटर सिस्टम स्थिति के किसी भी मापनीय मैक्रोकैरेक्टरिस्टिक्स हैं। वे हो सकते हैं:
- तीव्र - द्रव्यमान (तापमान, दबाव) से स्वतंत्र;
- व्यापक (कैपेसिटिव) - पदार्थ के द्रव्यमान के समानुपाती (आयतन,ताप क्षमता, द्रव्यमान)।
इन सभी मापदंडों को भौतिकी और रसायन विज्ञान से रासायनिक थर्मोडायनामिक्स द्वारा उधार लिया गया है, लेकिन थोड़ा अलग सामग्री प्राप्त करते हैं, क्योंकि उन्हें तापमान के आधार पर माना जाता है। यह इस मूल्य के लिए धन्यवाद है कि विभिन्न गुण आपस में जुड़े हुए हैं।
संतुलन एक ऐसी प्रणाली की स्थिति है जिसमें यह निरंतर बाहरी परिस्थितियों में आता है और थर्मोडायनामिक मापदंडों की एक अस्थायी स्थिरता के साथ-साथ इसमें सामग्री और गर्मी के प्रवाह की अनुपस्थिति की विशेषता है। इस अवस्था के लिए, तंत्र के पूरे आयतन में दबाव, तापमान और रासायनिक क्षमता की स्थिरता देखी जाती है।
संतुलन और गैर-संतुलन प्रक्रियाएं
रासायनिक थर्मोडायनामिक्स की बुनियादी अवधारणाओं की प्रणाली में थर्मोडायनामिक प्रक्रिया एक विशेष स्थान रखती है। इसे प्रणाली की स्थिति में परिवर्तन के रूप में परिभाषित किया गया है, जो एक या अधिक थर्मोडायनामिक मापदंडों में परिवर्तन की विशेषता है।
प्रणाली की स्थिति में परिवर्तन विभिन्न परिस्थितियों में संभव है। इस संबंध में, संतुलन और गैर-संतुलन प्रक्रियाओं के बीच अंतर किया जाता है। एक संतुलन (या अर्ध-स्थिर) प्रक्रिया को एक प्रणाली के संतुलन राज्यों की एक श्रृंखला के रूप में माना जाता है। इस मामले में, इसके सभी पैरामीटर असीम रूप से धीरे-धीरे बदलते हैं। ऐसी प्रक्रिया होने के लिए, कई शर्तों को पूरा करना होगा:
- अभिनय और विरोधी ताकतों (आंतरिक और बाहरी दबाव, आदि) के मूल्यों में असीम रूप से छोटा अंतर।
- प्रक्रिया की असीम धीमी गति।
- अधिकतम कार्य।
- बाह्य बल में एक छोटा सा परिवर्तन प्रवाह की दिशा बदल देता हैरिवर्स प्रक्रिया।
- प्रत्यक्ष और विपरीत प्रक्रियाओं के कार्य के मूल्य समान हैं, और उनके पथ समान हैं।
तंत्र की गैर-संतुलन अवस्था को संतुलन में बदलने की प्रक्रिया को विश्राम कहा जाता है, और इसकी अवधि को विश्राम समय कहा जाता है। रासायनिक ऊष्मप्रवैगिकी में, किसी भी प्रक्रिया के लिए विश्राम समय का सबसे बड़ा मूल्य अक्सर लिया जाता है। यह इस तथ्य के कारण है कि वास्तविक प्रणालियां प्रणाली में ऊर्जा और/या पदार्थ के उभरते प्रवाह के साथ संतुलन की स्थिति को आसानी से छोड़ देती हैं और गैर-संतुलन हैं।
प्रतिवर्ती और अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएं
प्रतिवर्ती थर्मोडायनामिक प्रक्रिया एक प्रणाली का अपने एक राज्य से दूसरे राज्य में संक्रमण है। यह न केवल आगे की दिशा में, बल्कि विपरीत दिशा में भी प्रवाहित हो सकता है, इसके अलावा, एक ही मध्यवर्ती राज्यों के माध्यम से, जबकि पर्यावरण में कोई बदलाव नहीं होगा।
अपरिवर्तनीय एक ऐसी प्रक्रिया है जिसके लिए एक राज्य से दूसरे राज्य में सिस्टम का संक्रमण असंभव है, पर्यावरण में बदलाव के साथ नहीं।
अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएं हैं:
- परिमित तापमान अंतर पर गर्मी हस्तांतरण;
- किसी गैस का निर्वात में विस्तार, क्योंकि इस दौरान कोई कार्य नहीं होता है, और बिना गैस को संपीडित करना असंभव है;
- प्रसार, चूंकि गैसों को हटाने के बाद आसानी से परस्पर फैल जाएगा, और काम किए बिना रिवर्स प्रक्रिया असंभव है।
अन्य प्रकार की थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं
सर्कुलर प्रक्रिया (चक्र) एक ऐसी प्रक्रिया है, जिसके दौरानजो प्रणाली को इसके गुणों में परिवर्तन की विशेषता थी, और इसके अंत में अपने मूल मूल्यों पर लौट आया।
प्रक्रिया की विशेषता वाले तापमान, आयतन और दबाव के मूल्यों के आधार पर, रासायनिक थर्मोडायनामिक्स में निम्नलिखित प्रकार की प्रक्रिया को प्रतिष्ठित किया जाता है:
- समतापी (टी=स्थिरांक)।
- आइसोबैरिक (P=const).
- आइसोकोरिक (वी=कास्ट)।
- रुद्धोष्म (क्यू=स्थिरांक)।
रासायनिक ऊष्मागतिकी के नियम
मुख्य अभिधारणाओं पर विचार करने से पहले, विभिन्न प्रणालियों की स्थिति को दर्शाने वाली मात्राओं के सार को याद रखना आवश्यक है।
एक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा यू को उसकी ऊर्जा के भंडार के रूप में समझा जाता है, जिसमें गति की ऊर्जा और कणों की बातचीत होती है, यानी गतिज ऊर्जा और इसकी स्थिति की संभावित ऊर्जा को छोड़कर सभी प्रकार की ऊर्जा होती है।. इसका परिवर्तन ज्ञात कीजिए U.
एन्थैल्पी एच को अक्सर विस्तारित प्रणाली की ऊर्जा, साथ ही इसकी गर्मी सामग्री भी कहा जाता है। एच=यू+पीवी.
हीट क्यू ऊर्जा हस्तांतरण का एक अव्यवस्थित रूप है। यदि ऊष्मा को अवशोषित किया जाता है (एंडोथर्मिक प्रक्रिया) तो सिस्टम की आंतरिक गर्मी को सकारात्मक (क्यू > 0) माना जाता है। यदि ऊष्मा निकलती है (एक्ज़ोथिर्मिक प्रक्रिया) तो यह ऋणात्मक (Q < 0) है।
कार्य ए ऊर्जा हस्तांतरण का एक क्रमबद्ध रूप है। इसे सकारात्मक (A>0) माना जाता है यदि यह बाहरी ताकतों के खिलाफ सिस्टम द्वारा किया जाता है, और नकारात्मक (A<0) अगर यह सिस्टम पर बाहरी ताकतों द्वारा किया जाता है।
मूल अभिधारणा ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम है। वहां कई हैंउनके सूत्र, जिनमें से निम्नलिखित को प्रतिष्ठित किया जा सकता है: "ऊर्जा का एक प्रकार से दूसरे प्रकार में संक्रमण सख्ती से बराबर मात्रा में होता है।"
यदि सिस्टम ऊष्मा Q के अवशोषण के साथ राज्य 1 से राज्य 2 में संक्रमण करता है, जो बदले में, आंतरिक ऊर्जा ∆U को बदलने और कार्य A करने पर खर्च किया जाता है, तो गणितीय रूप से यह अभिधारणा है समीकरणों द्वारा लिखा गया: Q=∆U +A या δQ=dU + δA.
ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम, पहले की तरह, सैद्धांतिक रूप से नहीं लिया गया है, लेकिन एक अभिधारणा की स्थिति है। हालाँकि, इसकी विश्वसनीयता की पुष्टि प्रायोगिक टिप्पणियों के अनुरूप इसके परिणामों से होती है। भौतिक रसायन विज्ञान में, निम्नलिखित सूत्रीकरण अधिक सामान्य है: "किसी भी पृथक प्रणाली के लिए जो संतुलन की स्थिति में नहीं है, समय के साथ एन्ट्रापी बढ़ती है, और इसकी वृद्धि तब तक जारी रहती है जब तक कि सिस्टम संतुलन की स्थिति में प्रवेश नहीं कर लेता।"
गणितीय रूप से, रासायनिक थर्मोडायनामिक्स के इस अभिधारणा का रूप है: dSisol≧0। इस मामले में असमानता का संकेत गैर-संतुलन स्थिति को इंगित करता है, और "=" चिह्न संतुलन को इंगित करता है।
