เทอร์โมไดนามิกส์เคมี

เทอร์โมไดนามิกส์เคมีประยุกต์ใช้กฎสากลของพลังงานและเอนโทรปีกับการเปลี่ยนแปลงทางเคมี โดยทำนายว่าปฏิกิริยาจะดำเนินไปหรือไม่ ไปได้ไกลแค่ไหน และสถานะและองค์ประกอบตอบสนองต่ออุณหภูมิ ความดัน และความเข้มข้นอย่างไร

Definition

เทอร์โมไดนามิกส์เคมีเป็นสาขาหนึ่งของเคมีฟิสิกส์ที่ใช้ฟังก์ชันสถานะ เช่น เอนทาลปี เอนโทรปี และพลังงานอิสระ เพื่อกำหนดความเป็นไปได้เอง ตำแหน่งสมดุล และพลังงานของปฏิกิริยาเคมีและการเปลี่ยนแปลงสถานะ

Scope

สาขาวิชานี้ครอบคลุมการอธิบายทางเทอร์โมไดนามิกส์ของระบบเคมี: พลังงานภายใน เอนทาลปี เอนโทรปี และพลังงานอิสระกิบบส์และเฮล์มโฮลทซ์; ศักย์เคมีในฐานะตัวแปรขับเคลื่อนสำหรับการไหลของสสารและปฏิกิริยา; เงื่อนไขสำหรับสมดุลเคมีและสมดุลสถานะ; กฎสถานะของกิบบส์; และการวัดความร้อนผ่านเทอร์โมเคมีและแคลอรีเมตรี ต้นกำเนิดทางสถิติเชิงกลของปริมาณมหภาคเหล่านี้จะได้รับการพิจารณาแยกต่างหากภายใต้เทอร์โมไดนามิกส์เชิงสถิติ และกฎเกณฑ์ในรูปแบบทางกายภาพทั่วไปจะครอบคลุมในวิชาฟิสิกส์; ในที่นี้จะเน้นการนำไปใช้เพื่อทำนายทิศทางและขอบเขตของกระบวนการทางเคมี

Sub-topics

• Chemical Potential and Equilibrium
• Phase Equilibria and the Phase Rule
• Thermochemistry and Calorimetry
• Thermodynamic Laws in Chemistry

Core questions

• อะไรเป็นตัวกำหนดว่าปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นเองภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดหรือไม่?
• ค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยามีความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระกิบบส์มาตรฐานอย่างไร?
• ศักย์เคมีควบคุมการไหลของสสารระหว่างสถานะและตำแหน่งสมดุลอย่างไร?
• มีกี่สถานะและองค์ประกอบที่สามารถอยู่ร่วมกันได้ และกฎสถานะจำกัดสิ่งเหล่านี้อย่างไร?

Key concepts

• เอนทาลปี เอนโทรปี และพลังงานอิสระกิบบส์
• ศักย์เคมีและกัมมันตภาพ
• ค่าคงที่สมดุลและผลหารปฏิกิริยา
• สถานะมาตรฐานและเงื่อนไขอ้างอิง
• กฎสถานะและระดับความเป็นอิสระ

Key theories

เกณฑ์พลังงานอิสระกิบบส์สำหรับการเกิดขึ้นเอง

ที่อุณหภูมิและความดันคงที่ กระบวนการจะเกิดขึ้นเองเมื่อพลังงานอิสระกิบบส์ลดลง; สมดุลสอดคล้องกับค่าต่ำสุดของ G ซึ่งเชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระมาตรฐานกับค่าคงที่สมดุลผ่าน dG = -RT ln K.

ศักย์เคมีและเงื่อนไขของสมดุล

แต่ละสปีชีส์มีศักย์เคมีที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดัน และองค์ประกอบ; สสารจะไหลจากบริเวณที่มีศักย์เคมีสูงกว่าไปยังบริเวณที่ต่ำกว่า และสมดุลจะเกิดขึ้นเมื่อศักย์เคมีของแต่ละองค์ประกอบเท่ากันในทุกสถานะ

Clinical relevance

เทอร์โมไดนามิกส์เคมีเป็นรากฐานของวิศวกรรมปฏิกิริยา กระบวนการแยก การออกแบบวัสดุและโลหะวิทยา พลังงานแบตเตอรี่และเซลล์เชื้อเพลิง และชีวพลังงานของการเผาผลาญ โดยให้เกณฑ์ที่ตัดสินว่าการเปลี่ยนแปลงใดเป็นไปได้และสมดุลอยู่ที่ใด

History

เทอร์โมไดนามิกส์เคมีก่อตั้งขึ้นในทศวรรษ 1870 โดย J. Willard Gibbs ซึ่งการศึกษาเกี่ยวกับสมดุลต่างเฟสได้นำเสนอแนวคิดศักย์เคมีและกฎสถานะ; กรอบแนวคิดนี้ได้รับการขยายโดย van't Hoff, Nernst และ Lewis ผู้จัดระบบพลังงานอิสระ กัมมันตภาพ และสถานะมาตรฐาน และโดย Onsager ผู้ขยายแนวคิดนี้ไปยังกระบวนการที่ผันกลับไม่ได้

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hermann von Helmholtz
• Walther Nernst

Seminal works

• atkins2018
• levine2009
• onsager1931

Frequently asked questions

การที่พลังงานอิสระกิบบส์เป็นลบหมายความว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วหรือไม่?

ไม่ เทอร์โมไดนามิกส์บอกคุณว่าปฏิกิริยาเป็นที่น่าพอใจหรือไม่และสมดุลอยู่ที่ใด แต่ไม่ได้บอกว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเร็วแค่ไหน; อัตราการเกิดปฏิกิริยาถูกควบคุมโดยจลนพลศาสตร์เคมีและอาจช้ามากแม้สำหรับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเองอย่างรุนแรง

ความแตกต่างระหว่างการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระมาตรฐานและการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระจริงคืออะไร?

การเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระมาตรฐานหมายถึงสปีชีส์ทั้งหมดในสถานะมาตรฐานอ้างอิง ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงจริงจะพิจารณาความเข้มข้นหรือความดันจริงผ่านผลหารปฏิกิริยา; ค่าจริง ไม่ใช่ค่ามาตรฐาน เป็นตัวกำหนดทิศทางของปฏิกิริยา ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง