Кіріспе

Химиялық термодинамика – термодинамика заңдары шегінде жылу мен жұмыстың химиялық реакциялармен немесе физикалық күй өзгерістерімен байланысын зерттейтін ғылым. Химиялық термодинамика әр түрлі термодинамикалық қасиеттерді зертханада өлшеумен қатар, химиялық мәселелерді және процестердің спонтандығын зерттеу үшін математикалық әдістерді қолдануды қамтиды. Химиялық термодинамиканың құрылымы термодинамиканың бірінші және екінші заңдарына негізделген. Термодинамиканың бірінші және екінші заңдарынан бастап, "Гиббстің негізгі теңдеулері" деп аталатын төрт теңдеу туындайды. Осы төрт теңдеуден салыстырмалы түрде қарапайым математикалық амалдарды қолдану арқылы термодинамикалық жүйенің термодинамикалық қасиеттерін байланыстыратын көптеген теңдеулерді шығаруға болады. Бұл химиялық термодинамиканың математикалық базасын құрайды.

Химиялық энергия

Химиялық энергия – химиялық заттар химиялық реакция арқылы өзгеріп, энергияны босатуға немесе сіңіруге мүмкіндік беретін энергия. Химиялық байланыстардың үзілуі мен жаңа байланыстардың пайда болуы энергияны босатуға немесе қабылдауға алып келеді, көбінесе бұл жылу түрінде болады, ол химиялық жүйеге сіңірілуі немесе одан шығуы мүмкін. Химиялық заттардың ("реагенттер") арасындағы реакция нәтижесінде босатылған (немесе сіңірілген) энергия, өнімдер мен реагенттердің энергия мазмұны арасындағы айырмашылыққа тең. Энергияның бұл өзгеруі химиялық жүйенің ішкі энергиясының өзгеруі деп аталады. Оны қарастырылып отырған молекулалардың байланыс энергиясына қатысты реагент молекулаларының ішкі энергиясы және өнім молекулаларының ішкі энергиясы арқылы есептеуге болады. Ішкі энергияның өзгеруі, егер ол тұрақты көлемде (STP жағдайында), мысалы, бомба калориметрі сияқты жабық, қатты ыдыста өлшенсе, жылу өзгеруіне тең болады. Алайда, атмосфераға ашық ыдыстардағы реакциялардағыдай тұрақты қысымда өлшенген жылу, әдетте ішкі энергияның өзгеруіне тең болмайды, себебі қысым-көлем жұмысы да энергияны босатуға немесе сіңіруге қатысады. (Тұрақты қысымдағы жылу өзгеруі энтальпия өзгеруі деп аталады; мұндай жағдайларда кеңінен тізілген энтальпия мәндері қолданылады.) Бұл терминмен байланысты жану жылуы, яғни жану реакциясынан босатылатын химиялық энергия, отындарды зерттеуде маңызды. Тағам көмірсутектік және көмірводтық отындарға ұқсас, ал тотығу кезінде оның энергиясы да ұқсас болады (бірақ көмірсутектік отындарға қарағанда басқаша бағаланады – тағам энергиясын қараңыз). Химиялық термодинамикада химиялық потенциалдық энергияны білдіру үшін химиялық потенциал термині қолданылады, кейде Гиббс-Дюгем теңдеуі де қолданылады.

Химиялық реакциялар

Химиялық термодинамикада қызығушылық тудыратын көптеген жағдайларда ішкі еркіндік дәрежелері мен процестер болады, мысалы, химиялық реакциялар мен фазалық өтулер. Бұл процестер ғаламда энтропияны жасайды, егер олар тепе-теңдікте болмаса немесе сыртқы жұмыс беру және алу үшін поршеньдер немесе электродтар сияқты шектеу құрылғыларына байланыстырылып, "квазистатикалық" өзгерістер арқылы "динамикалық тепе-теңдікте" ұсталмаса. Тіпті біртекті "көлемдік" жүйелерде де еркін энергия функциялары, сондай-ақ ішкі энергияны қоса алғанда, барлық кеңейтілген термодинамикалық потенциалдар, құрамына тәуелді болады. Егер формулалардан {Ni} сандары, яғни химиялық түрлердің мөлшері алынып тасталса, құралымдық өзгерістерді сипаттау мүмкін емес.

Шешімдер

Ерітінді химиясы мен биохимияда Гиббс еркін энергиясының төмендеуі (∂G/∂ξ, молярлық бірліктерде, ΔG арқылы қысқаша белгіленеді) көбінесе жұмыс істелмейтін жағдайларда, немесе кем дегенде "пайдалы" жұмыс істелмейтін жағдайларда, спонтанды химиялық реакциялардың нәтижесінде туындайтын жаһандық энтропияның (−T есе) орнына қолданылады. Барлық спонтанды реакциялардың ΔG теріс болатыны туралы тұжырым термодинамиканың екінші заңының қайталануы ғана, бұл оған энергияның физикалық өлшемдерін береді және энтропия тұрғысынан оның маңыздылығын жасырады. Егер пайдалы жұмыс істелмесе, тұрақты T үшін немесе тұрақты T және P үшін энтропияның Лежандр түрлендіргіштерін, тиісінше −F/T және −G/T Масье функцияларын қолдану дұрыс болар еді.

Тепе-теңдіктің болмауы

Жалпы алғанда, дәстүрлі химиялық термодинамикамен қарастырылатын жүйелер тепе-теңдікте немесе тепе-теңдікке жақын болады. Илья Пригожин тепе-теңдіктен алыс жатқан ашық жүйелердің термодинамикалық қарастыруын жасады. Осылайша ол мүлдем жаңа және күтпеген құбылыстар мен құрылымдарды ашты. Оның жалпыланған, сызықтық емес және қайтымсыз термодинамикасы көптеген салаларда таңғаларлық қолданыс тапты. Тепе-теңдік емес термодинамика реттелген құрылымдардың, мысалы, биологиялық жүйелердің тәртіпсіздіктен қалай пайда болатынын түсіндіру үшін қолданылды. Онсагер қатынастары қолданылса да, термодинамиканың классикалық тепе-теңдік принциптері тепе-теңдікке жақын сызықтық жүйелердің әрқашан тәртіпсіздік күйіне ауысатынын, бұзылыстарға тұрақты болатынын және реттелген құрылымдардың пайда болуын түсіндіре алмайтынын көрсетеді. Пригожин осы жүйелерді диссипативтік жүйелер деп атады, себебі олар жүйе мен оның ортасы арасындағы энергия алмасу нәтижесінде пайда болып, сақталады және егер алмасу тоқтаса, жоғалады. Олар өз ортасымен симбиоздық қарым-қатынаста өмір сүреді деуге болады. Пригожин диссипативтік құрылымдардың бұзылуларға тұрақтылығын зерттеу үшін қолданған әдіс өте маңызды және жалпы қызығушылық тудырады. Ол қалалық көлік мәселелері, жәндіктер қоғамдастығының тұрақтылығы, реттелген биологиялық құрылымдардың дамуы және қатерлі жасушалардың өсуі сияқты алуан түрлі мәселелерді зерттеуге мүмкіндік береді.

Жүйелік шектеулер

Осыған байланысты қабырғалар мен басқа да шектеулердің рөлін түсіну және тәуелсіз процестер мен байланыстың арасындағы айырмашылықты анықтау маңызды. Көптеген анықтамалық көздердің айқын тұжырымына қарамастан, бұрынғы талдау сыртқы ортаға тек PdV жұмысын ғана жеткізе алатын біртекті, изотроптық жүйелермен ғана шектелмейді, сонымен қатар ең құрылымдық жүйелерге де қолданылады. Бір уақытта көптеген химиялық «реакциялар» жүріп жатқан күрделі жүйелер бар, олардың кейбіреулері бір жалпы процестің бөліктері ғана. Тәуелсіз процесс – бұл басқа барлық процестер түсіндірілмейтін себептермен тоқтатылған жағдайда да жалғаса алатын процесс. Бұл химиялық кинетикадағы «ой эксперименті» болуы мүмкін, бірақ нақты мысалдар да бар. Тұрақты температура мен қысымдағы газ фазалық реакция молекулалар санын арттырса, көлем де артады. Поршеньмен жабық цилиндрдің ішінде бұл реакция тек поршеньге жұмыс жасау арқылы ғана жүзеге асуы мүмкін. Реакцияның өзгеру шамасы тек поршень сыртқа жылғанда ғана артады, ал поршень ішке итерілсе, реакция кері жүреді. Сол сияқты, электрохимиялық жасушада электродтарды жалғайтын сым арқылы ток өтуімен тотығу-тотықсыздану реакциясы жүруі мүмкін. Электродтардағы жартылай жасуша реакциялары егер ток ағуына рұқсат етілмесе, шектеледі. Ток Джоуль жылуы ретінде таратылуы мүмкін, немесе механикалық жұмыс істейтін мотор сияқты электр құрылысын іске қосуы мүмкін. Автомобильдің қорғасын қышқылды аккумуляторын қайта зарядтау химиялық реакцияны кері жүргізеді. Бұл жағдайда да реакция тәуелсіз процесс болып табылмайды. Гиббс еркін энергиясының бір бөлігі, мүмкін, көп бөлігі сыртқы жұмыс ретінде берілуі мүмкін. АТФ-тың АДФ-қа және фосфатқа гидролизі тірі бұлшықеттермен жасалған күш көбейтілген қашықтық жұмысына әсер етеді, ал АТФ синтезі өз кезегінде митохондриялар мен хлоропластардағы иондардың осы жасушалық органеллалардың мембраналары арқылы тасымалдануын қамтитын тотығу-тотықсыздану тізбегімен жүзеге асырылады. Бұл жердегі және бұрынғы мысалдардағы процестердің байланысы көбінесе толық болмайды. Газ поршеньнен резеңке шардан ағып шығу сияқты, біртіндеп ағып шығуы мүмкін. Сыртқы ток ағуына қарамастан, батареяда кейбір реакциялар жүруі мүмкін. Әдетте, салыстырмалы жылдамдықтарға байланысты болатын, қозғалыс еркін энергиясының қанша пайызы сыртқы жұмысқа айналғанын немесе басқа химиялық процестің еркін энергиясына қатысты дұрыс емес аталатын «химиялық жұмыс» ретінде жиналғанын анықтайтын байланыс коэффициенті бар.