Condiciones estándar y condición estándar. Elementos de termodinámica y cinética química.

En sistemas con procesos químicos, la principal razón de los cambios en los parámetros termodinámicos son las reacciones químicas. Dado que las transformaciones químicas son muy diversas, surge el problema de elegir el origen de las cantidades de energía, por ejemplo los potenciales termodinámicos. Para ello se utilizan conceptos como estados estándar Y condiciones estándar. Teniendo en cuenta que en las reacciones químicas los elementos no rotan entre sí, se toma como referencia cero la totalidad de todos los elementos químicos en forma de sustancias simples que se encuentran en formas más estables a 25°C. este seleccionado una colección de sustancias simples forma la base para cálculos termodinámicos, y cada sustancia simple incluida en la base es una sustancia básica. Para realizar cálculos termodinámicos se utilizan los parámetros de la sustancia en estado estándar.

El estado estándar se selecciona según la recomendación de la IUPAC de la siguiente manera:

1) la temperatura de la sustancia en el estado estándar es igual a la temperatura del sistema: T = T(sistema);

2) la presión sobre la sustancia o la presión de una sustancia gaseosa en estado estándar (P 0) es igual a 1 bar:

P = P 0 = 1 barra

(1 barra = 10 5 Pa). (La IUPAC ha recomendado el uso de pascales desde 1982). Anteriormente, se utilizaba una atmósfera (1 atm = 101325 Pa) como estado estándar. Aunque las diferencias de unidades son pequeñas, se recomienda prestar atención a las unidades de presión.

3) Para sustancias líquidas y sólidas, los estados reales se toman en P 0 = 1 bar y temperatura T. (A veces también se tienen en cuenta sustancias en estados hipotéticos, por ejemplo, agua en forma de gas a una presión de 1 bar a una temperatura inferior a 100 °C o en forma de hielo a 25 °C.)

Las cantidades termodinámicas que caracterizan sustancias en el estado estándar se denominan estándar y se utiliza un superíndice para designarlas, por ejemplo.

La temperatura utilizada es 298,15 K (25°C).

La entalpía estándar y la energía de Gibbs de formación de la sustancia A generalmente se entienden como el cambio de entalpía y energía de Gibbs en la reacción:

¿Dónde están las sustancias básicas?

El índice f proviene de la palabra inglesa formación. Se utiliza para indicar la reacción de formación de una sustancia a partir de sustancias básicas simples. Si las sustancias y A están en condiciones estándar, entonces hablamos de entalpía estándar, entropía estándar y energía de formación de Gibbs estándar en condiciones estándar:

Para sustancias básicas en cualquier estado estándar, se toman =0 kJ/mol y =0 kJ/mol. Normalmente, el cálculo de los parámetros termodinámicos a cualquier temperatura se basa en el uso de estados estándar en condiciones estándar, para los cuales también se suponen kJ/mol y kJ/mol. Las tablas suelen dar los valores de las entalpías estándar de formación de compuestos a partir de sustancias básicas simples en condiciones estándar con designaciones por mol de sustancia A formada.

Durante mucho tiempo, los físicos y representantes de otras ciencias tuvieron una manera de describir lo que observaban en el curso de sus experimentos. La falta de una opinión común y la presencia de una gran cantidad de términos sacados de la nada provocaron confusión y malentendidos entre colegas. Con el tiempo, cada rama de la física adquirió sus propias definiciones y unidades de medida establecidas. Así surgieron los parámetros termodinámicos que explican la mayoría de los cambios macroscópicos del sistema.

Definición

Los parámetros de estado, o parámetros termodinámicos, son una serie de cantidades físicas que, juntas y cada una individualmente, pueden caracterizar el sistema observado. Estos incluyen conceptos como:

• temperatura y presión;
• concentración, inducción magnética;
• entropía;
• entalpía;
• Energías de Gibbs y Helmholtz y muchas otras.

Hay parámetros intensivos y extensivos. Extensos son aquellos que dependen directamente de la masa del sistema termodinámico, e intensivos son los que están determinados por otros criterios. No todos los parámetros son igualmente independientes, por lo que para calcular el estado de equilibrio del sistema es necesario determinar varios parámetros a la vez.

Además, existen algunos desacuerdos terminológicos entre los físicos. Diferentes autores pueden llamar a la misma característica física proceso, coordenada, cantidad, parámetro o incluso simplemente propiedad. Todo depende del contenido en el que lo utilice el científico. Pero en algunos casos existen recomendaciones estandarizadas que los redactores de documentos, libros de texto u órdenes deben seguir.

Clasificación

Existen varias clasificaciones de parámetros termodinámicos. Entonces, con base en el primer punto, ya se sabe que todas las cantidades se pueden dividir en:

• extensivo (aditivo): tales sustancias obedecen la ley de la suma, es decir, su valor depende de la cantidad de ingredientes;
• intenso: no dependen de la cantidad de sustancia que se tomó para la reacción, ya que se nivelan durante la interacción.

Según las condiciones en las que se encuentran las sustancias que componen el sistema, las cantidades se pueden dividir en aquellas que describen reacciones de fase y reacciones químicas. Además, hay que tener en cuenta los reactivos. Ellos pueden ser:

• termomecánico;
• termofísico;
• termoquímico.

Además, cualquier sistema termodinámico realiza una función específica, por lo que los parámetros pueden caracterizar el trabajo o el calor obtenido como resultado de una reacción, y también permiten calcular la energía necesaria para transferir la masa de partículas.

Variables de estado

El estado de cualquier sistema, incluido uno termodinámico, puede determinarse mediante una combinación de sus propiedades o características. Todas las variables que están completamente determinadas solo en un momento específico en el tiempo y no dependen de cómo exactamente el sistema llegó a este estado se denominan parámetros termodinámicos (variables) del estado o funciones del estado.

Un sistema se considera estacionario si las funciones variables no cambian con el tiempo. Una opción es el equilibrio termodinámico. Cualquier cambio, incluso el más pequeño, en un sistema ya es un proceso y puede contener de uno a varios parámetros de estado termodinámico variables. La secuencia en la que los estados de un sistema se transforman continuamente entre sí se denomina "ruta del proceso".

Desafortunadamente, todavía existe confusión con los términos, ya que una misma variable puede ser independiente o el resultado de la suma de varias funciones del sistema. Por lo tanto, términos como “función de estado”, “parámetro de estado”, “variable de estado” pueden considerarse sinónimos.

Temperatura

Uno de los parámetros independientes del estado de un sistema termodinámico es la temperatura. Es una cantidad que caracteriza la cantidad de energía cinética por unidad de partículas en un sistema termodinámico en estado de equilibrio.

Si abordamos la definición del concepto desde el punto de vista de la termodinámica, entonces la temperatura es una cantidad inversamente proporcional al cambio de entropía después de agregar calor (energía) al sistema. Cuando el sistema está en equilibrio, el valor de temperatura es el mismo para todos sus "participantes". Si hay una diferencia de temperatura, el cuerpo más caliente desprende energía y el más frío la absorbe.

Hay sistemas termodinámicos en los que, cuando se añade energía, el desorden (entropía) no aumenta, sino que, por el contrario, disminuye. Además, si dicho sistema interactúa con un cuerpo cuya temperatura es superior a la suya, cederá su energía cinética a este cuerpo y no al revés (según las leyes de la termodinámica).

Presión

La presión es una cantidad que caracteriza la fuerza que actúa sobre un cuerpo perpendicular a su superficie. Para calcular este parámetro, es necesario dividir la cantidad total de fuerza por el área del objeto. Las unidades de esta fuerza serán pascales.

En el caso de los parámetros termodinámicos, el gas ocupa todo el volumen de que dispone y, además, las moléculas que lo componen se mueven continuamente de forma caótica y chocan entre sí y con el recipiente en el que se encuentran. Son estos impactos los que provocan la presión de la sustancia sobre las paredes del recipiente o sobre el cuerpo que se encuentra en el gas. La fuerza se distribuye igualmente en todas direcciones precisamente debido al movimiento impredecible de las moléculas. Para aumentar la presión, es necesario aumentar la temperatura del sistema y viceversa.

Energía interna

Los principales parámetros termodinámicos que dependen de la masa del sistema incluyen la energía interna. Consiste en la energía cinética provocada por el movimiento de las moléculas de una sustancia, así como en la energía potencial que aparece cuando las moléculas interactúan entre sí.

Este parámetro es inequívoco. Es decir, el valor de la energía interna es constante cada vez que el sistema se encuentra en el estado deseado, independientemente de cómo se alcanzó (el estado).

Es imposible cambiar la energía interna. Consiste en el calor generado por el sistema y el trabajo que produce. Para algunos procesos también se tienen en cuenta otros parámetros, como la temperatura, la entropía, la presión, el potencial y el número de moléculas.

entropía

La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía no disminuye. Otra formulación postula que la energía nunca se transfiere de un cuerpo a una temperatura más baja a un cuerpo a una temperatura más alta. Esto, a su vez, niega la posibilidad de crear una máquina de movimiento perpetuo, ya que es imposible convertir en trabajo toda la energía disponible para el cuerpo.

El concepto mismo de "entropía" se introdujo en uso a mediados del siglo XIX. Luego se percibió como un cambio en la cantidad de calor a la temperatura del sistema. Pero tal definición sólo es adecuada para procesos que están constantemente en estado de equilibrio. De esto podemos sacar la siguiente conclusión: si la temperatura de los cuerpos que componen el sistema tiende a cero, entonces la entropía será cero.

La entropía como parámetro termodinámico del estado de un gas se utiliza como indicación de la medida del desorden, el movimiento caótico de las partículas. Se utiliza para determinar la distribución de moléculas en un área y recipiente determinados, o para calcular la fuerza electromagnética de interacción entre iones de una sustancia.

entalpía

La entalpía es energía que se puede convertir en calor (o trabajo) a presión constante. Este es el potencial de un sistema que se encuentra en estado de equilibrio si el investigador conoce el nivel de entropía, el número de moléculas y la presión.

Si se indica el parámetro termodinámico de un gas ideal, en lugar de entalpía se utiliza la formulación "energía del sistema expandido". Para que sea más fácil explicar este valor, podemos imaginar un recipiente lleno de gas, que es comprimido uniformemente por un pistón (por ejemplo, un motor de combustión interna). En este caso, la entalpía será igual no solo a la energía interna de la sustancia, sino también al trabajo que se debe realizar para llevar el sistema al estado requerido. Cambiar este parámetro depende únicamente del estado inicial y final del sistema, y ​​no importa la ruta por la que se obtendrá.

energía gibbs

Los parámetros y procesos termodinámicos, en su mayor parte, están asociados al potencial energético de las sustancias que componen el sistema. Por tanto, la energía de Gibbs es equivalente a la energía química total del sistema. Muestra qué cambios se producirán durante las reacciones químicas y si las sustancias interactuarán alguna vez.

Cambiar la cantidad de energía y temperatura de un sistema durante una reacción afecta conceptos como la entalpía y la entropía. La diferencia entre estos dos parámetros se denominará energía de Gibbs o potencial isobárico-isotérmico.

El valor mínimo de esta energía se observa si el sistema está en equilibrio y su presión, temperatura y cantidad de sustancia permanecen sin cambios.

energía de helmholtz

La energía de Helmholtz (según otras fuentes, simplemente energía libre) representa la cantidad potencial de energía que perderá un sistema al interactuar con cuerpos externos.

El concepto de energía libre de Helmholtz se utiliza a menudo para determinar qué trabajo máximo puede realizar un sistema, es decir, cuánto calor se libera cuando las sustancias pasan de un estado a otro.

Si el sistema está en un estado de equilibrio termodinámico (es decir, no realiza ningún trabajo), entonces el nivel de energía libre es mínimo. Esto significa que tampoco se producen cambios en otros parámetros, como la temperatura, la presión o el número de partículas.

ESTADO ESTÁNDAR en termoquímica es el estado de una sustancia en el que se encuentra a una temperatura de 298,15 K y una presión de 101,325 kPa (760 mm Hg).

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