Kimyada Termodinamik Yasaları
Kimyasal sistemlere uygulanan termodinamik yasaları, enerjinin reaksiyonlarda nasıl korunduğunu, bazı reaksiyonların neden kendiliğinden ilerlediğini ve entropilerin mutlak sıfırda belirli bir sınıra nasıl yaklaştığını belirlemektedir.
Tanım
Kimyadaki termodinamik yasaları, kimyasal değişime özgülenmiş birinci, ikinci ve üçüncü termodinamik yasaları olup, reaksiyon enerjilerini, kendiliğinden reaksiyonların yönünü ve maddelerin mutlak entropilerini yönetmektedir.
Kapsam
Bu konu, dört yasanın kimyasal uygulamalarını kapsamaktadır: sıfırıncı yasa ve sıcaklık; iç enerji, entalpi ve reaksiyon ısıları aracılığıyla ifade edilen birinci yasa; entropi ve kendiliğindenliğin kriteri olarak Clausius eşitsizliği aracılığıyla ifade edilen ikinci yasa; ve mutlak entropileri atayan ve kalorimetrik verilerden denge sabitlerinin hesaplanmasının temelini oluşturan üçüncü yasa. Serbest enerji kriterleri, kimyasal potansiyel ve denge konularının ayrıntılı ele alınışı ilgili diğer konularda geliştirilmektedir.
Temel sorular
- Birinci yasa, sabit hacimdeki reaksiyon ısısını, iç enerji ve entalpi aracılığıyla sabit basınçtaki reaksiyon ısısıyla nasıl ilişkilendirir?
- İzole bir sistemin entropisi neden azalmaz ve bu durum kendiliğindenliği nasıl tanımlar?
- Üçüncü yasa, mutlak entropilerin tablolaştırılmasına ve kimyasal hesaplamalarda kullanılmasına nasıl olanak tanır?
- Hal fonksiyonları, ısı ve iş gibi yola bağımlı niceliklerden nasıl ayırt edilir?
Anahtar kavramlar
- İç enerji ve reaksiyon entalpisi
- Entropi ve Clausius eşitsizliği
- Tersinir ve tersinmez süreçler
- Mutlak entropi ve üçüncü yasa
- Hal fonksiyonları ve yol fonksiyonları
Temel kuramlar
- Kimyasal sistemler için birinci yasa
- Tepkimeye giren bir sistemin iç enerji değişimi, emilen ısı eksi yapılan işe eşittir; sabit basınçta bu durum entalpi tarafından yakalanır, bu da reaksiyon entalpisini yoldan bağımsız, ölçülebilir bir hal fonksiyonu haline getirmektedir.
- Kriter ve referans olarak ikinci ve üçüncü yasalar
- İkinci yasa, entropi üretimini kendiliğinden kimyasal değişimin evrensel kriteri haline getirirken, üçüncü yasa, mutlak sıfırda mükemmel bir kristalin entropisini sıfır olarak sabitlemekte, böylece reaksiyon hesaplamaları için mutlak entropiler sağlamaktadır.
Klinik önem
Bu yasalar, yanma ile açığa çıkan ısıdan ve endüstriyel sentezlerin uygulanabilirliğinden, çözünme, karışma ve biyolojik kendi kendine birleşme gibi entropi güdümlü süreçlere kadar tüm kimyasal enerjilerin muhasebesini sağlamaktadır.
Tarihçe
Termodinamiğin kimyasal kullanımı, Hess'in 1840 tarihli sabit ısı toplamı yasasından ve on dokuzuncu yüzyıl ortalarında Clausius ve Kelvin tarafından birinci ve ikinci yasaların formüle edilmesinden gelişmiştir. Üçüncü yasanın temelini oluşturan Nernst'in 1906 tarihli ısı teoremi, mutlak entropileri erişilebilir kılarak çerçeveyi tamamlamıştır.
Öne çıkan isimler
- Rudolf Clausius
- Walther Nernst
- Germain Henri Hess
İlgili konular
Temel eserler
- atkins2018
- mcquarrie1997
Sıkça sorulan sorular
- Kimyacılar neden genellikle iç enerji yerine entalpi ile çalışır?
- Çoğu reaksiyon, sabit hacim yerine sabit atmosferik basınçta gerçekleştirilmektedir ve sabit basınçta değiş tokuş edilen ısı, entalpi değişimine eşittir; bu nedenle entalpi, kimya için doğrudan ölçülebilir ve en uygun enerji fonksiyonudur.
- Bir kimyasal sistemin entropisi azalabilir mi?
- Evet, yerel olarak. Bir sistem, bir gazın yoğunlaşması veya bir katının kristalleşmesi gibi durumlarda entropi kaybedebilir, ancak çevrenin entropisi en az o kadar artarsa, sistem artı çevrenin toplam entropisi azalmaz.