Các Định luật Nhiệt động lực học trong Hóa học

Các định luật nhiệt động lực học, khi áp dụng cho các hệ hóa học, xác định cách năng lượng được bảo toàn trong các phản ứng, tại sao một số phản ứng diễn ra tự phát và cách entropy tiếp cận một giới hạn xác định ở độ không tuyệt đối.

Definition

Các định luật nhiệt động lực học trong hóa học là định luật thứ nhất, thứ hai và thứ ba của nhiệt động lực học được chuyên biệt hóa cho sự biến đổi hóa học, chi phối năng lượng phản ứng, chiều hướng của các phản ứng tự phát và entropy tuyệt đối của các chất.

Scope

Chủ đề này bao gồm ứng dụng hóa học của bốn định luật: định luật không và nhiệt độ; định luật thứ nhất được thể hiện qua nội năng, enthalpy và nhiệt phản ứng; định luật thứ hai được thể hiện qua entropy và bất đẳng thức Clausius như tiêu chí tự phát; và định luật thứ ba, gán các entropy tuyệt đối và là cơ sở cho việc tính toán hằng số cân bằng từ dữ liệu nhiệt lượng. Việc xử lý chi tiết các tiêu chí năng lượng tự do, thế hóa học và cân bằng được phát triển trong các chủ đề liên quan.

Core questions

• Định luật thứ nhất liên hệ nhiệt phản ứng ở thể tích không đổi với nhiệt phản ứng ở áp suất không đổi thông qua nội năng và enthalpy như thế nào?
• Tại sao entropy của một hệ cô lập không giảm, và điều này định nghĩa tính tự phát như thế nào?
• Định luật thứ ba cho phép lập bảng và sử dụng entropy tuyệt đối trong các tính toán hóa học như thế nào?
• Các hàm trạng thái được phân biệt với các đại lượng phụ thuộc vào đường đi như nhiệt và công như thế nào?

Key concepts

• Nội năng và enthalpy của phản ứng
• Entropy và bất đẳng thức Clausius
• Các quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch
• Entropy tuyệt đối và định luật thứ ba
• Hàm trạng thái so với hàm đường đi

Key theories

Định luật thứ nhất cho các hệ hóa học

Sự thay đổi nội năng của một hệ phản ứng bằng nhiệt hấp thụ trừ đi công thực hiện; ở áp suất không đổi, điều này được thể hiện bằng enthalpy, làm cho enthalpy phản ứng trở thành một hàm trạng thái có thể đo được và không phụ thuộc vào đường đi.

Định luật thứ hai và thứ ba như tiêu chí và tham chiếu

Định luật thứ hai biến sự sản sinh entropy thành tiêu chí phổ quát cho sự biến đổi hóa học tự phát, trong khi định luật thứ ba xác định entropy của một tinh thể hoàn hảo bằng không ở độ không tuyệt đối, cung cấp entropy tuyệt đối cho các tính toán phản ứng.

Clinical relevance

Các định luật này cung cấp cơ sở cho tất cả các năng lượng hóa học, từ nhiệt tỏa ra do đốt cháy và tính khả thi của các tổng hợp công nghiệp đến các quá trình hòa tan, trộn lẫn và tự lắp ráp sinh học được thúc đẩy bởi entropy.

History

Việc sử dụng nhiệt động lực học trong hóa học phát triển từ định luật tổng nhiệt không đổi của Hess năm 1840 và sự hình thành định luật thứ nhất và thứ hai vào giữa thế kỷ XIX bởi Clausius và Kelvin; định lý nhiệt của Nernst năm 1906, cơ sở của định luật thứ ba, đã hoàn thiện khuôn khổ bằng cách làm cho entropy tuyệt đối trở nên dễ tiếp cận.

Key figures

• Rudolf Clausius
• Walther Nernst
• Germain Henri Hess

Seminal works

• atkins2018
• mcquarrie1997

Frequently asked questions

Tại sao các nhà hóa học thường làm việc với enthalpy hơn là nội năng?

Hầu hết các phản ứng được thực hiện ở áp suất khí quyển không đổi hơn là thể tích không đổi, và ở áp suất không đổi, nhiệt trao đổi bằng sự thay đổi enthalpy, vì vậy enthalpy là hàm năng lượng có thể đo trực tiếp và tiện lợi nhất cho hóa học.

Entropy của một hệ hóa học có thể giảm không?

Có, cục bộ. Một hệ có thể mất entropy, như khi một chất khí ngưng tụ hoặc một chất rắn kết tinh, miễn là entropy của môi trường xung quanh tăng lên ít nhất bằng hoặc nhiều hơn để tổng entropy của hệ cộng với môi trường xung quanh không giảm.