Раздел 2. Химическая термодинамика

Химическая термодинамика – это один из основных разделов физической химии, она изучает взаимные превращения химической энергии, теплоты и других видов энергии. Объектами исследования химической термодинамики являются энергетические балансы физико-химических процессов, фазовые и химические равновесия. Термодинамика возникла в конце первой половины XIX столетия как наука, занимающаяся изучением превращения теплоты в механическую работу. В дальнейшем рамки термодинамики значительно расширились, и со второй половины XIX века она уже широко используется в различных областях знаний.

Термодинамика как наука имеет некоторые особенности.

Во-первых, ее можно охарактеризовать, как учение о свойствах материальных объектов, проявляющихся при взаимодействии друг с другом. При этом она не рассматривает "внутренний мир" термодинамической системы. Ее интересуют только макроскопические свойства. Сопоставляя эти свойства в исходном и конечном состоянии, термодинамика качественно описывает происходящие в системе процессы.

Во-вторых, аппарат термодинамики основан на законах и постулатах самого общего характера, опирающихся на многовековой производственный и научный опыт человечества и не содержащих каких-либо гипотез. Этим объясняется строгость и универсальность термодинамического аппарата, применимость его к анализу различных физических и химических явлений, а также достоверность выводов, полученных с его помощью.

В-третьих, классическая химическая термодинамика является наукой феноменологической. Этот термин используют обычно, чтобы подчеркнуть, что речь идет о науке, опирающейся исключительно на опытные данные (факты). Необходимость в таком уточнении обусловлена главным образом дополнительным возникновением статистической термодинамики, которая ставит перед собой задачу обоснования физико-химических процессов с помощью модельных атомно-молекулярных представлений о строении материальных объектов, опираясь при этом на законы движения отдельных частиц и принципы теории вероятности.

В четвертых, в рамках классической термодинамики на основе постулатов и опытных данных выводятся закономерности, связывающие различные макроскопические свойства вещества. Это позволяет установить возможность и интенсивность протекания процессов в том или ином направлении. Если таким процессом является химическая реакция, то термодинамика позволяет получить конечный результат – равновесный состав реакционной смеси, максимально возможный выход продуктов реакции и подобрать оптимальные условия проведения реакции.

Основными вопросами, которые изучает химическая термодинамика, являются:

1. разработка методов определения свойств веществ, необходимых для решения физико-химических задач;

2. установление условий равновесия различных физико-химических процессов;

3. выяснение возможности протекания химических реакций или фазовых превращений при определенных условиях;

4. определение энергетических балансов и эффектов химических реакций и фазовых превращений.

В термодинамике при анализе физических и химических явлений и установлении соотношений между ними принято использовать метод циклов (метод Карно – Клаузиуса) либо метод термодинамических потенциалов (метод Гиббса). Метод циклов достаточно подробно рассматривается в соответствующих разделах физики как основа анализа циклических процессов в работе тепловых машин, в ходе которых осуществляется превращение теплоты в работу. Метод потенциалов чаще используется в химической термодинамике. Он дает возможность получить решение физико-химических задач путем короче, чем метод циклов, и, кроме того, является логически и математически более стройным и обоснованным.

Вместе с тем, в учебных пособиях метод термодинамических потенциалов используется не всегда достаточно последовательно и целенаправленно, что в значительной степени затрудняет восприятие и понимание излагаемого материала. В настоящем пособии при изложении законов феноменологической термодинамики и их приложений к физико-химическим процессам используется только метод термодинамических потенциалов без привлечения метода циклов.