قانون اول ترمودینامیک شیمیایی چیست؟🧪نویسنده:جمال عبدالله زاده🧪

نویسنده: جمال عبدالله زاده دانشجوی شیمی محض🧪عاشق محاسبات شیمی،تاریخ شیمی و  دنیای شیمی فیزیک به خصوص شیمی کوانتوم🧪

قانون اول ترمودینامیک شیمیایی به زبان ساده به ما می گوید که در واکنش های شیمیایی وقتی انرژی درونی مولکول های واکنش دهنده و فراورده تغییر کند کار و گرما ایجاد می شود.این جا دو سوال مهم پیش می آید؛ اول اینکه چرا انرژی درونی را مبنای مطالعه واکنش های شیمیایی قرار دادیم و دوم اینکه چرا کار و گرما ایجاد می شود؟ جواب پرسش اول واضح است؛ چون در طبیعت شیمیایی اطراف ما همه چیز در ذات و ماهیت و درون مولکول ها نهفته می باشد و انرژی درونی نیز چنین خاصیتی دارد و از ماهیت و درون مولکول ها سرچشمه می گیرد.بزرگترین اتفاقات و تغییرات طبیعت در لایه درونی آن رخ می دهند و نقش عوامل و نیروهای خارجی ضعیف است.در دنیای ما انسان ها نیز همه چیز در درون ما و ذهن ما رخ می دهد و همه پیشرفت ها و موفقیت های زندگی از درون ما و ذهن ما نشات می گیرد نه عوامل بیرونی و نیروهای خارجی.به همین دلیل در محاسبات شیمی برای مدل سازی ترمودینامیکی پدیده های شیمیایی طبیعت ابتدا از تغییرات انرژی درونی شروع می کنیم و بعدا به سایر مراحل می رسیم.در جواب سوال دوم نیز باید گفت که موقع انجام واکنش های شیمیایی دو تغییر عمده و اساسی رخ می دهد؛۱.حجم واکنش دهنده ها و فراورده ها افزایش یا کاهش می یابد که باعث تغییر فشار اجزای واکنش نیز می شود.چون فشار و حجم در محاسبات شیمی باهم رابطه عکس دارند و آنها را معمولا به صورت جفت کمیت های مرتبط بررسی و مطالعه می کنند.تغییرات فشار و حجم باعث انبساط یا تراکم ظرف واکنش می شود و نهایتا به صورت کار اثرات خودش را اعمال می کند.خلاصه تغییرات فشار و حجم در واکنش های شیمیایی باعث انجام کار می شود.در اصطلاح شیمی این نوع انرژی را کار ناشی از فشار_حجم می نامیم.گاهی وقت ها سیستم روی محیط کار انجام می دهد و گاهی نیز محیط پیرامون روی سیستم کار انجام می دهد که علامت آنها در معادله فرق می کند۲.علاوه بر این ویژگی بسیار مهم واکنش های شیمیایی آزاد یا جذب شدن گرما می باشد.انرژی درونی ارتباط عمیقی با مفهوم گرما دارد چون جنب و جوش و تحرک مولکول ها باعث ایجاد گرما می شود و خود انرژی درونی نیز به صورت ریاضی با دما متناسب می باشد و به صورت حاصل ضرب ثابت بولتزمن،دما و درجه آزادی مولکول ها تعریف می شود و در حالت کلی داریم: U=NkT حال یک سوال بنیادین و جالب مطرح می شود؛ اگر انرژی طبق قانون اول ترمودینامیک شیمیایی ثابت و پایسته می ماند پس چرا در علم شیمی این همه تغییر و تحول عجیب و پیچیده رخ می دهد و همه چیز مدام در حال تغییر می باشد؟؟ سوال ساده ولی جالب و هوشمندانه ای می باشد.به عبارت دیگر می توان پرسید چطور در علم شیمی از یک طرف جهان ثابت و پایدار و پایسته را مطرح می کنیم و از طرف دیگر دنیای در حال تغییر و تحول را مطرح می کنیم؟ جهان شیمی چرا از یک طرف بسیار پایدار و پیوسته می باشد و از طرفی در حال دگرگونی و ناپایداری است؟؟ جواب این پرسش این است که اولا تغییرات شیمیایی طبیعت با نسبت ها و مقادیر مشخصی رخ می دهد و همه چیز در شیمی بر پایه مقیاس ها و نسبت ها و مقادیر مشخص می باشد.ثانیا تغییرات طوری رخ می دهند که در نهایت کلیت و ماهیت طبیعت از هم نپاشد و دنیا پایدار و پایسته بماند.اگرچه دنیای شیمی در حال تحول دائمی می باشد ولی برایند و نتیجه تمامی این تغییرات جهان پایدار با قوانین دقیق و مشخص است.سوما پایداری جهان و تغییرات مداوم طبیعت باهم متناقض نمی باشند بلکه همدیگر را تایید و تصدیق می کنند و لازم و ملزوم هم هستند.افزون بر این در علم شیمی جنبه ثابت و پایدار طبیعت و جنبه تغییرگونه آن هر کدام پرونده ریاضی جداگانه ای دارد و با فرمول خاصی مطالعه و بررسی می شود.اگر بخواهیم پایستگی انرژی در شیمی را توجیه کنیم قانون اول ترمودینامیک شیمیایی را بدون معادلات دیفرانسیل و به فرم ساده می نویسیم و در حالت کلی داریم: U=q+w ولی اگر بخواهیم تغییرات طبیعت را توجیه کنیم آن گاه قانون اول ترمودینامیک شیمیایی را به صورت معادلات دیفرانسیل می نویسیم و در حالت کلی داریم: dU=TdS_PdV+𝛴𝝻dN در محاسبات شیمی وقتی معادلات را به صورت دیفرانسیل می نویسیم منظورمان این است که تغییرات بسیار کوچک را نیز از قلم نمی اندازیم و به دقت بررسی می کنیم.نکته مهم دیگر در این معادله وجود کمیت پتانسیل شیمیایی می باشد که تغییر مول های ماده به ازای تغییر انرژی آزاد گیبس را توضیح می دهد و همان انرژی آزاد گیبس مولی می باشد.

✍️دوستان عزیز می توانید ما را در کانال تلگرام اندیشه ورزی و فلسفه شیمی جمال به نشانی t.me/JimiChem دنبال کنید؛ ایستگاه اندیشه ورزی و فلسفه شیمی جمال رسانه ای جالب و جذاب برای علاقه مندان و عاشقان علم شیمی است به ویژه آنان که همواره به معنا و ماهیت و فلسفه شیمی می اندیشند و از آن لذت می برند ✍️