ترمودینامیک شیمیایی
ترمودینامیک شیمیایی قوانین جهانی انرژی و آنتروپی را در تغییرات شیمیایی به کار میبرد و پیشبینی میکند که آیا واکنشها پیش میروند، تا چه حد پیش میروند، و چگونه فاز و ترکیب به دما، فشار و غلظت پاسخ میدهند.
Definition
ترمودینامیک شیمیایی شاخهای از شیمی فیزیک است که از توابع حالت مانند آنتالپی، آنتروپی و انرژی آزاد برای تعیین خودبهخودی بودن، موقعیت تعادل و انرژیزایی واکنشهای شیمیایی و تبدیلهای فازی استفاده میکند.
Scope
این حوزه توصیف ترمودینامیکی سیستمهای شیمیایی را پوشش میدهد: انرژی درونی، آنتالپی، آنتروپی، و انرژیهای آزاد گیبس و هلمهولتز؛ پتانسیل شیمیایی به عنوان متغیر محرک برای جریان ماده و واکنش؛ شرایط تعادل شیمیایی و فازی؛ قانون فاز گیبس؛ و اندازهگیری گرما از طریق ترموشیمی و کالریمتری. منشأ مکانیک آماری این کمیتهای ماکروسکوپی به طور جداگانه تحت ترمودینامیک آماری مورد بررسی قرار میگیرد، و خود قوانین در شکل فیزیکی کلیشان در فیزیک پوشش داده میشوند؛ در اینجا تأکید بر استفاده از آنها برای پیشبینی جهت و میزان فرآیندهای شیمیایی است.
Sub-topics
Core questions
- چه چیزی تعیین میکند که یک واکنش شیمیایی تحت شرایط معین خودبهخودی باشد؟
- ثابت تعادل یک واکنش چگونه با تغییر انرژی آزاد گیبس استاندارد آن مرتبط است؟
- پتانسیل شیمیایی چگونه جریان ماده بین فازها و موقعیت تعادل را کنترل میکند؟
- چند فاز و جزء میتوانند همزیستی داشته باشند و قانون فاز چگونه آنها را محدود میکند؟
Key concepts
- آنتالپی، آنتروپی و انرژی آزاد گیبس
- پتانسیل شیمیایی و فعالیت
- ثابت تعادل و خارج قسمت واکنش
- حالتهای استاندارد و شرایط مرجع
- قانون فاز و درجات آزادی
Key theories
- معیار انرژی آزاد گیبس برای خودبهخودی بودن
- در دما و فشار ثابت، یک فرآیند زمانی خودبهخودی است که انرژی آزاد گیبس کاهش یابد؛ تعادل با حداقل G مطابقت دارد و تغییر انرژی آزاد استاندارد را از طریق dG = -RT ln K به ثابت تعادل مرتبط میکند.
- پتانسیل شیمیایی و شرایط تعادل
- هر گونه دارای پتانسیل شیمیایی است که به دما، فشار و ترکیب بستگی دارد؛ ماده از مناطق با پتانسیل شیمیایی بالاتر به مناطق با پتانسیل شیمیایی پایینتر جریان مییابد، و تعادل زمانی حاصل میشود که پتانسیل شیمیایی هر جزء در تمام فازها برابر باشد.
Clinical relevance
ترمودینامیک شیمیایی زیربنای مهندسی واکنش، فرآیندهای جداسازی، طراحی مواد و متالورژی، انرژیزایی باتری و پیل سوختی، و بیوانرژی متابولیسم است و معیارهایی را فراهم میکند که تعیین میکنند کدام تبدیلها امکانپذیر هستند و تعادل در کجا قرار دارد.
History
ترمودینامیک شیمیایی در دهه ۱۸۷۰ توسط جی. ویلارد گیبس پایهگذاری شد، که بررسی او از تعادلهای ناهمگن، پتانسیل شیمیایی و قانون فاز را معرفی کرد؛ این چارچوب توسط وانت هوف، نرنست و لوئیس که انرژی آزاد، فعالیت و حالتهای استاندارد را سیستماتیک کردند، و توسط اونساگر که آن را به فرآیندهای برگشتناپذیر تعمیم داد، گسترش یافت.
Key figures
- J. Willard Gibbs
- Hermann von Helmholtz
- Walther Nernst
Related topics
Seminal works
- atkins2018
- levine2009
- onsager1931
Frequently asked questions
- آیا انرژی آزاد گیبس منفی به این معنی است که یک واکنش به سرعت اتفاق میافتد؟
- خیر. ترمودینامیک به شما میگوید که آیا یک واکنش مطلوب است و تعادل در کجا قرار دارد، اما نه اینکه چقدر سریع به آنجا میرسد؛ سرعت توسط سینتیک شیمیایی کنترل میشود و حتی برای یک واکنش به شدت خودبهخودی میتواند بسیار کند باشد.
- تفاوت بین تغییرات انرژی آزاد استاندارد و واقعی چیست؟
- تغییر انرژی آزاد استاندارد به تمام گونهها در حالتهای استاندارد مرجع آنها اشاره دارد، در حالی که تغییر واقعی غلظتها یا فشارهای واقعی را از طریق خارج قسمت واکنش در نظر میگیرد؛ مقدار واقعی، نه مقدار استاندارد، جهت واکنش را در هر لحظه تعیین میکند.