ترمودینامیک مطالعه این است که چگونه انرژی، به ویژه گرما، در یک سیستم پراکنده می شود، و چگونه جرم مواد هنگام تبدیل آنها از شکلی به شکل دیگر، جریان می یابد. در شیمی، ترمودینامیک بر نحوه انتقال و تبدیل انرژی در طی واکنش های شیمیایی متمرکز است. مطالعه ترمودینامیک به دانشجویان شیمی سطح A اجازه می دهد تا بفهمند انرژی در یک سیستم چگونه جریان می یابد.

تجدید نظر شما در ترمودینامیک شامل سه قانون ترمودینامیک، خواص سیستم ها، آنتالپی، انرژی آزاد گیبس، معادلات ترموشیمیایی و سایر موضوعات مرتبط می شود. بنابراین، ممکن است تمرین حل برخی از مسائل واکنش شیمیایی که نیاز به محاسبات دارند، هنگام بازبینی برای سطح A شیمی بسیار مفید باشد.

قوانین ترمودینامیک چیست؟

قوانین ترمودینامیک عبارتند از:

• قانون 1: قانون اول ترمودینامیک که در غیر این صورت به عنوان قانون بقای انرژی شناخته می شود، بیان می کند که در یک سیستم ایزوله، انرژی نه می تواند ایجاد شود و نه از بین می رود.

• قانون دوم: قانون دوم ترمودینامیک به عنوان قانون آنتروپی یا بی نظمی نیز شناخته می شود. بیان می کند که آنتروپی یا درجه بی نظمی انرژی هر سیستم جدا شده همیشه در یک مسیر صعودی است.

• قانون سوم: این قانون بیان می کند که آنتروپی یک سیستم ایزوله با نزدیک شدن دمای سیستم به یک مقدار ثابت نزدیک می شود. صفر مطلق (0 کلوین یا -273.15 درجه سانتیگراد).

• قانون صفر: این اساسی‌تر از سه قانون اول است، اما پس از وضع قوانین دیگر ایجاد شد. بنابراین، باید عدد کمتری به آن داده شود که صفر است. بیان می کند که اگر دو سیستم هر دو در تعادل حرارتی با سیستم سوم باشند، آنگاه این دو سیستم به طور منطقی با یکدیگر در تعادل حرارتی هستند.

ایده های موجود در پشت ایجاد شده در حال حاضر قوانین ترمودینامیک را می توان به ایده های گرما در دوران باستان ردیابی کرد. قوانینی که امروزه شناخته می شوند با تاریخ و تحولات فیزیک و شیمی، به ویژه با پیشرفت های موتورهای احتراقی در طول قرن نوزدهم و بیستم، در هم تنیده شده اند. با این حال، رتبه بندی ترتیبی قوانین تا همین اواخر ایجاد نشده بود.

اگرچه رتبه بندی ترتیبی فعلی آن نیست، اولین اصل ترمودینامیکی ایجاد شده توسط فرمول بندی شد سعدی کارنو در سال 1824. کتاب او “بازتاب در نیروی محرکه آتش” اولین اصل ترمودینامیکی را بیان کرد که در نهایت به عنوان قانون دوم ترمودینامیک شناخته شد.

تقریباً چهار دهه پس از انتشار کتاب‌های کارنو طول کشید تا رودولف کلازیوس و ویلیام تامسون قوانین اول و دوم ترمودینامیک را رسمیت بخشند. بیش از نیم قرن بعد در سال 1912، قانون سوم ترمودینامیک توسط والتر نرنست ایجاد شد، اگرچه او برای اولین بار آن را به عنوان یک قضیه در یک دوره شش ساله از سال 1906 تا 1912 توسعه داد.

سیستم ها و محیط های اطراف چیست؟

در شیمی فیزیک، سیستم ها و محیط اطراف مفاهیم ترمودینامیکی مهمی هستند. سیستم به عنوان بخشی از جهان که مورد بررسی قرار می گیرد تعریف می شود. این می تواند هر چیزی از واکنش دهنده ها در یک لوله آزمایش یا اتمسفر سیاره ای دوردست باشد که از طریق طیف سنجی آنالیز می شود. یک سیستم می تواند باز، بسته یا ایزوله باشد، به شرح زیر:

• سیستم های باز: سیستم های باز اجازه تبادل طبیعی ماده و انرژی با محیط اطراف را می دهند. بدن ما نمونه خوبی از یک سیستم باز است. ما هم ماده و هم انرژی را با محیط اطراف خود مبادله می کنیم، غذا، آب و اکسیژن دریافت می کنیم، در حالی که دی اکسید کربن و مواد زائد بدن مانند ادرار را دفع می کنیم.

• سیستم های بسته: سیستم های بسته اجازه تبادل انرژی با محیط اطراف را می دهند اما از تبادل طبیعی ماده جلوگیری می کنند. یک مثال خوب از یک سیستم بسته یک تراریوم مهر و موم شده با گیاهان و میکروارگانیسم هایی است که مواد آلی و هوای داخل را بازیافت می کنند.

• سیستم های ایزوله: این سیستم ها اجازه تبادل ماده یا انرژی با محیط اطراف را نمی دهند. در حالی که ایجاد یک سیستم ایزوله در شرایط عادی تقریباً غیرممکن است، یک تقریب خوب یک پارچ ترموس مهر و موم شده است، که یک ظرف آب عایق است که می تواند گرمای آب را برای مدت طولانی نگه دارد.

اطراف جزئی از کیهان غیر از سیستم مورد بررسی است. محیط اطراف می تواند به روش های مختلفی با یک سیستم تعامل داشته باشد. به عنوان مثال، هوای خارج از موتور احتراقی یک خودرو بخشی از محیط اطراف است که با سوخت موتور تعامل دارد. هوا منبع اکسیژن مورد نیاز برای سوزاندن سوخت است.

با توجه به پارامترهای خاص، مانند دمای اتاق و فشار اتمسفر، که در سطوح استاندارد ثابت نگه داشته می شوند، واکنش های شیمیایی و رفتارها را می توان به دقت پیش بینی کرد. شما همچنین می توانید مقدار دقیق انرژی لازم برای معکوس کردن یک واکنش را محاسبه کنید.

انرژی آزاد گیبس چیست؟

در ترمودینامیک شیمیایی، انرژی رایگان گیبسیا به سادگی انرژی گیبس، یک پتانسیل ترمودینامیکی است. می توان از آن برای محاسبه حداکثر مقدار کار برگشت پذیری که توسط یک سیستم تحت شرایط خاصی مانند دما و فشار ثابت انجام می شود استفاده کرد. این حداکثر مقدار ممکن کار غیر گسترشی است که می‌توان از یک سیستم بسته به دست آورد.

جوزیا ویلارد گیبس این مفهوم را در دهه 1870 توسعه داد. در ابتدا به عنوان “انرژی در دسترس” در یک سیستم نامگذاری شد. در سال 1873، گیبس یک مقاله تحقیقاتی با عنوان “روش های گرافیکی در ترمودینامیک سیالات” منتشر کرد. در آن، او مفهوم انرژی موجود و چگونگی استفاده از معادله خود را برای پیش‌بینی رفتار یک سیستم بسته توضیح داد.

انرژی گیبس انرژی یک واکنش شیمیایی است که می توان از آن برای انجام کار استفاده کرد. این مجموع یک سیستم است آنتالپی و حاصل ضرب دما و آنتروپی یک سیستم. فرمول کامل را می توان به صورت زیر نوشت:

G=U+PV−TS

اینجا:

• U انرژی داخلی است (واحد SI: ژول)
• پ فشار است (واحد SI: پاسکال)
• V حجم است (واحد SI: m³ )
• تی دما است (واحد SI: کلوین)
• اس آنتروپی است (واحد SI: ژول/کلوین)
• اچ آنتالپی است (واحد SI: ژول)

در امتحان شیمی سطح A، ممکن است از شما خواسته شود که برخی از مسائل مربوط به آنتالپی و انرژی آزاد گیبس را حل کنید. بیشتر مسائل فقط به دانش اولیه جبر و نحوه دستکاری معادلات نیاز دارند. با این حال، برای اینکه بتوانید به درستی به مسائل پاسخ دهید، باید مفاهیم اساسی ترمودینامیک را درک کنید.

برای اطلاعات بیشتر در مورد منابع شیمی سطح A برای کمک به شما در بازنگری و برای کسب اطلاعات در مورد مطالعه سطح A، ما را بررسی کنید مرکز منابع سطح شیمی.