Хімічна термодинаміка 2

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

Федеральне агентство з освіти
Пензенський державний педагогічний університет ім. В.Г. Бєлінського
Курсова робота
Хімічна термодинаміка
Виконала студентка групи Х-41 (2):
Кямякова Галія Ибрагимовна
Пенза 2008 р .

Зміст
Введення
Глава 1. Перший закон термодинаміки
1.1 Питання і завдання
1.2 Приклади
1.3 Завдання
Глава 2. Додаток першого закону термодинаміки до хімії. Термохімія
2.1 Питання і завдання
2.2 Приклади
2.3 Завдання
Глава 3. Другий закон термодинаміки. Ентропія
3.1 Питання і завдання
3.2 Приклади
3.3 Завдання
Глава 4. Термодинамічні потенціали
4.1 Приклади
4.2 Завдання
Література

Введення
Фізична хімія - наука, яка вивчає загальні закономірності фізичних процесів і є теоретичною основою всієї хімічної науки і технології хімічних виробництв. Найбільш важливим і в той же час одним з найбільш складних розділів фізичної хімії є хімічна термодинаміка. У цій роботі наведено перелік питань і завдань з хімічної термодинаміки. Ці завдання носять комплексний характер і дозволяють учням підготуватися до хімічних олімпіад. Метою цієї роботи став підбір завдань з хімічної термодинаміки, адаптація їх до вимог хімічних олімпіад для школярів, а також розробка методики їх вирішення з урахуванням міжпредметних зв'язків з математикою і фізикою.
Рішення задач дає можливість застосувати теоретичні знання на практиці, розширити, поглибити і систематизувати їх, стимулюють розумову діяльність учнів, розвивають послідовність у діях, логіку.

Глава 1. Перший закон термодинаміки
1.1 Питання та вправи
1) Що таке термодинаміка і які явища вона вивчає?
2) Наведіть кілька формулювань першого закону термодинаміки і покажіть, що вони не суперечать один одному. Чому перший закон термодинаміки називають першим початком?
3) Що таке система? Які її види розрізняють?
4) Дайте визначення і приведіть приклади термодинамічних процесів: ізотермічного, изобарических, ізохоричному і адіабатичного.
5) Що таке внутрішня енергія системи і з чого вона складається?
6) Дайте визначення ідеального газу. Що собою являє внутрішня енергія ідеального газу?
7) Чому термодинаміка розглядає не абсолютне значення внутрішньої енергії, а тільки її зміна?
8) Що таке ентальпія і яка її зв'язок із внутрішньою енергією? Чому для конденсованих систем різниця між ентальпією і внутрішньою енергією мала, а для систем газоподібних значна?
9) Перерахуйте способи передачі енергії від однієї системи до іншої.
10) Що таке теплота і робота?
11) Дайте визначення теплоємності питомої, атомної, молярної (мольної)? Який зв'язок існує між мольний теплоємності при постійному тиску і постійному обсязі?
12) Робота визначається двома величинами: фактором інтенсивності і фактором ємності (екстенсивності). Що будуть представляти собою ці фактори при здійсненні механічної роботи, електричної та роботи з розширення газів?
13) Що таке максимальна робота розширення ідеального газу? Чому газ, розширюючись у вакуумі, роботи не виконує?
14) Напишіть рівняння, що виражають максимальну роботу розширення ідеального газу при ізотермічному, изобарических, ізохоричному і адіабатичному процесах.
15) Дайте визначення оборотним і необоротним термодинамічним процесам. Наведіть приклади. Чи можна реальні природні процеси вважати повністю оборотними?
1.2 Приклади
Приклад 1-1
Газ розширюючись від 10 до 16 л при постійному тиску 101,3 * 10 3 н / м 2, поглинає 126 Дж теплоти. Визначте зміну внутрішньої енергії газу.
Рішення:
p 1 = p 2 = 101,3 * 10 3 Па, V 1 = 10 л = 1 * 10 - 2 м3 ,
V 2 = 16 л = 16 * 10 - 3 м3 ,
Q p = 126 Дж.
Відповідно до першого закону термодинаміки
DU = Q p - W.
Робота, досконала газом при изобарических розширенні, може бути обчислена по рівнянню
W = p (V 2-V 1);
Звідси
DU = Q p - p (V 2-V 1);
DU = 126 - 101,3 * 10 3 (1 * 10 -2 - 16 * 10 -3) = 481,8 Дж
Відповідь: 481,8 Дж

Приклад 1-2

Розрахуйте роботу ізотермічного (27 ° С) розширення 1 моль вуглекислого газу від 2,24 до 22,4 л .
Рішення:
n = 1 моль, V 1 = 2,24 л = 2,24 * 10 - 3 м3 , V 2 = 22,4 * 10 - 3 м3 ,
Т = 27 ° С = 300 K.
Робота ізотермічного розширення системи може бути обчислена по рівнянню:
W = nRT * 2,3 lg (V 2 / V 1);
W = 1 * 8,314 * 300 * 2,3 lg (22,4 * 10 -3 / 2,24 * 10 -3) = 5736,66 Дж
Відповідь: 5736,66 Дж

Приклад 1-3

При 273 К і 1,0133 * 10 5 Па нагрівають 5 * 10 - 3 м3 криптону до873 К при постійному обсязі. Визначте кінцевий тиск газу і теплоту, витрачену на нагрівання.
Рішення:
V = 5 * 10 - 3 м3 , T 1 = 273 К, Т 2 = 873 К, р 1 = 1,0133 * 10 5 Па.
Теплоту, витрачену на нагрівання можна знайти за формулою:

Q v = nC v (T 2 - T 1).
Кількість криптону обчислюється з рівняння стану ідеального газу:
pV = nRT; n = p 1 V / RT 1;
n = 1,0133 * 10 5 * 5 * 10 -3 / 8,314 * 273 = 0,223 моль.
Для одноатомних газів З v = 3/2R;
Q v = 0,223 * 3 / 2 * 8,314 (873 - 273) = 1668,620 Дж
Кінцевий тиск при постійному обсязі і відомої температурі можна знайти за законом Шарля:
p 1 / T 1 = p 2 / T 2;
p 2 = p 1 T 2 / T 1;
p 2 = 1,0133 * 10 5 * 873/273 = 3,2403 * 10 5 Па
Відповідь: Q v = 1668,620 Дж, p 2 = 3,2403 * 10 5 Па
Приклад 1-4
Один моль одноатомного газу, взятого при 25 ° С і тиску 1,013 * 10 5 Па, адіабатично розширився до 0,05 м 3 . Які будуть кінцеві тиск і температура?
Рішення:
T 1 = 25 ° С = 298 K, P 1 = 1,013 * 10 5 Па, V 2 = 0,05 м 3 .
Вихідний обсяг газу (n = 1):
V 1 = nRT 1 / р 1 = 1 * 8,314 * 298 / 1,013 * 10 5 = 2,445 * 10 - 2 м3 .
Кінцеві тиск і температуру можна знайти з рівняння адіабати (g = С р / С v для одноатомних газів близько до 5 / 3):
р 1 V 1 5 / 3 = р 2 V 2 5 / 3,
р 2 = р 1 (V 1 / V 2) 5 / 3, р 2 = 1,013 * 10 5 * (2,445 * 10 -2 / 5,000 * 10 -2) 5 / 3 Па = 0,3 * 10 5 Па
Т 1 V 1 g -1 = Т 2 V 2 g -1, Т 2 = Т 1 (V 1 / V 2) g -1,
Т 2 = 298 * (2,445 * 10 -2 / 5,000 * 10 -2) 5 / 3 - 1 К = 183 До
Відповідь: р 2 = 0,3 * 10 5 Па, Т 2 = 183 К.
1.3 Завдання
1-1. Шляхом нагрівання при постійному тиску в 1,013 * 10 5 Па газу повідомлено 2093, 4 Дж теплоти. Визначте роботу, здійснену газом, і зміна внутрішньої енергії даного газу, якщо він при цьому розширився від 1 до 2 л .
1-2. Один моль діфторметана (ідеальний газ), взятий при 0 ° С і 1 атм, нагрітий при постійному тиску до потроєння обсягу. Розрахуйте зміна ентальпії та внутрішньої енергії в цьому процесі, якщо залежність теплоємність діфторметана від температури має вигляд:
З р = 20,26 + 7,59 * 10 -2 * Т (Дж моль-1 До -1)
(ΔH = 33,7 кДж; ΔU = 29,1 кДж)
1-3. Визначте зміна внутрішньої енергії при изобарических (1,013 * 10 5 н / м 2) випаровуванні 100 г води при 150 ° С, якщо об'ємом рідкої води знехтувати. Теплота випаровування води при 150 ° С дорівнює 2112,66 Дж / м.
1-4. Азот (5 моль) при 100 ° С займав об'єм 0,025 м 3 . При нагріванні газу до 200 ° С було витрачено 14650 Дж. Визначте З р і кінцевий обсяг, якщо тиск газу при цьому не змінилося.
1-5. Визначте роботу, що здійснюються азотом при ізотермічному (20 ° С) розширенні його від 0, 015 до 0,1 м 3 , Якщо початковий тиск становило 3,039 * 10 5 Па. Яке буде кінцевий тиск?
(W = 657 Дж, р 2 = 45600 н / м 2)
1-6. При 298 К одноатомний газ в ідеальному стані ізотермічні і оборотно розширюється від 1,5 * 10 3 м 3 до 10 * 10 3 м 3, при цьому поглинається 966 * 10 3 Дж теплоти. Розрахуйте число молей газу, який бере участь у процесі. (205,51)
1-7. Один моль ідеального газу, взятого при 25 ° С і 100 атм, розширюється оборотно і ізотермічні до 5 атм. Розрахуйте роботу, поглинену теплоту, зміна внутрішньої енергії та ентальпії в цьому процесі.
1-8. Скільки потрібно витратити теплоти, щоб ізохоричному нагріти 25 г кисню від 0 до 50 ° С? (811,85 Дж)
1-9. Яка кількість теплоти необхідно для ізохоричному нагрівання 50 г вуглекислого газу в інтервалі температур від 300 до 400 ° С, якщо C v = 40,2 Дж / моль? (4,56 кДж)
1-10. У резервуарі місткістю 5 * 10 - 2 м3 при 200 К та 0,5 * 10 5 Па міститься азот. Визначте теплоту, яку необхідно передати газу, щоб його тиск став рівним 2 * 10 5 Па. Вважати азот в зазначених умовах ідеальним газом. (18,7498 кДж)
1-11. Один моль ксенону, що знаходиться при 25 ° С і 2 атм, розширюється адіабатично: а) назад до 1 атм, б) проти тиску 1 атм. Якою буде кінцева температура в кожному випадку? (А) 225 К, б) 238 К)
1-12. Визначте роботу адіабатичного оборотного розширення 3 моль аргону від 0,05 до 0,50 м 3 . Початкова температура газу 298 К. (8,745 * 10 5 Дж)
1-13. При 298 К 1 * 10 - 2 кг кисню стискається адіабатично від 8 * 10 -3 до 5 * 10 - 3 м3 . Визначте кінцеву температуру, роботу процесу стиснення, зміна внутрішньої енергії і зміна ентальпії, якщо С v = 5/2R. (359, 637 К; -400,37 Дж; 400,34 Дж; 1,335 кДж)
1-14. Один моль фтороуглерода розширюється оборотно і адіабатично вдвічі за обсягом, при цьому температура падає від 298,15 до 248,44 К. Чому дорівнює значення З V? (31,6 Дж * моль -1 * К -1)

Глава 2. Додаток першого закону термодинаміки до хімії. Термохімія
2.1 Питання і завдання
1) Що називається тепловим ефектом хімічної реакції?
2) Сформулюйте закон Гесса і наслідки, що випливають з нього. Яке значення цього закону?
3) Поясніть, чому закон Гесса є окремий випадок першого закону термодинаміки?
4) Застосовуючи математичний вираз першого закону термодинаміки, покажіть, що тепловий ефект при постійному тиску є зміна ентальпії, а тепловий ефект при постійному обсязі - зміна внутрішньої енергії хімічної реакції.
5) Які хімічні реакції називаються екзотермічними і ендотермічними? Наведіть приклади.
6) Чому для конденсованих систем різниця між зміною ентропії і зміною внутрішньої енергії мала, а для газоподібних значна? Напишіть рівняння, що виражає зв'язок між тепловим ефектом при постійному тиску і тепловим ефектом при постійному обсязі.
7) Дайте визначення поняттям: «теплота освіти», «теплота розкладання», «теплота розчинення», «теплота згоряння», «теплота нейтралізації».
8) Чому при визначенні теплот розчинення на 1 моль різних розчинених речовин береться різну кількість молей розчинника?
9) Сформулюйте закономірності, встановлені для теплот утворення хімічних сполук.
10) Чим пояснити сталість теплот нейтралізації сильної кислоти сильною основою?
11) Однаковий чи тепловий ефект буде при: а) нейтралізації сірчаної кислоти їдким натром, б) нейтралізації сірчаної кислоти розчином аміаку? Дайте пояснення.
12) Чи буде спостерігатися виділення або поглинання теплоти при зливанні розбавлених розчинів: а) хлориду калію і броміду натрію, б) хлориду калію і нітрату срібла, в) сульфату натрію та нітрату свинцю, г) хлориду кальцію і нітрату натрію?
13) Як залежить тепловий ефект хімічної реакції від температури? Напишіть математичний вираз закону Кірхгофа. У яких випадках тепловий ефект хімічної реакції не залежить від температури? Чому?
2.2 Приклади

Приклад 2-1

Кількість теплоти, виділеної при горінні в стандартних умовах 2 г водню в кисні з утворенням рідкої води, так само 286 кДж. Чому дорівнює тепловий ефект реакції при постійному обсязі?
Рішення:
Знаходимо кількість водню: n = m / М, n = 2 / 2 моль = 1 моль
Записуємо рівняння реакції:
Н 2 (г) + 0,5 О 2 (г) = Н 2 О (ж), = -286 КДж, Т = 298 К
Тепловий ефект при постійному обсязі характеризується зміною внутрішньої енергії (Q v = DU). DU в даній реакції можна розрахувати наступним чином:

DU = DН - рDV = DН - DnRT,
DU = -286 * 10 3 - (-3) * 8,314 * 298 Дж = 278567 Дж
Відповідь: 278,567 * 10 березень кДж

Приклад 2-2

Розрахуйте ентальпію утворення сульфату цинку з простих речовин при Т = 298 К на підставі наступних даних:

ZnS = Zn + S, DН 1 0 = 200,5 кДж моль -1,

2ZnS + 3О 2 = 2ZnO + 2SO 2,2 0 = -893,5 кДж моль -1,
2SO 2 + О 2 = 2SO 3,3 0 = -198,2 кДж моль -1,
ZnSO 4 = ZnO + SO 3,4 0 = 235,0 кДж моль -1.
Рішення:
Закон Гесса дозволяє звертатися з термохімічними рівняннями як з алгебраїчними
Множник

ZnS = Zn + S, DН 1 0 = 200,5 кДж моль -1 -1

2ZnS +3 О 2 = 2ZnO +2 SO 2,2 0 =- 893,5 кДж моль-1 0,5
2SO 2 + О 2 = 2SO 3,3 0 =- 198,2 кДж моль-1 0,5
ZnSO 4 = ZnO + SO 3,4 0 = 235,0 кДж моль -1 -1
Zn + S + ZnS + 1,5 О 2 + SO 2 + 0,5 О 2 + ZnO + SO 3 = ZnS + ZnO + + SO 2 + SO 3 + ZnSO 4 Þ Zn + S + 2О 2 = ZnSO 4
f 0 (ZnSO 4) =-1DН 1 0 + 0,5 DН 2 0 + 0,5 DН 3 0 - 1DН 4 0,
f 0 (ZnSO 4) =- 200,5 +0,5 (-893,5) +0,5 (-198,2) -235,0 =
= 981,35 кДж моль-1
Відповідь: 981,35 кДж моль-1

Приклад 2-3
Користуючись довідковими даними, розрахуйте ентальпію реакції:
3Сu (ТБ) +8 H (NO 3) 2 (aq) = 3Сu (NO 3) 2 (aq) +2 NO (г) +4 H 2 O (ж) при 298 К.
Рішення:
Скорочене іонне рівняння реакції має вигляд:
3Cu (ТБ) +8 H + (aq) +2 NO 3 ˉ (aq) = 3Сu 2 + (aq) +2 NO (г) +4 Н 2 О (ж),
за законом Гесса, ентальпія реакції дорівнює:
D r М 0 = 4D f Н 02 О (ж)) +2 D f Н 0 (NO (г)) +3 D f Н 0 (Сu 2 + (aq))-2D f Н 0 (NO 3 ˉ (aq))
(Ентальпії утворення міді та іона Н + рівні, за визначенням, нулю).
Підставляючи значення ентальпії утворення з довідника знаходимо:
D r М 0 = (4 (-285,8) +2 · 90,25 +3 · 64,77-2 (-205,0)) кДж =- 358,4 кДж,
(У розрахунку на три моля міді).
Відповідь: -358,4 кДж
Приклад 2-4
Розрахуйте ентальпію згоряння метану при 1000 К, якщо дано ентальпії утворення при 298 К:
D f H ° (СН 4) = -17,9 ккал / моль,
D f H ° (СО 2) = -94,1 ккал / моль,
D f H ° (Н 2 О) = -57,8 ккал / моль.
Теплоємності газів (у кал * моль -1 * К -1) в інтервалі від 298 до 1000 К рівні:
З р (СН 4) = 3,422 + 0,0178 * Т, С р2) = 6,095 + 0,0033 * Т,
З р (СО 2) = 6,369 +0,0102 * Т, С р2 О (г)) = 7,188 +0,0024 * Т
Рішення:
Ентальпія реакції згоряння метану СН 4 (г) + 2О 2 (р) = СО 2 (г) + Н 2 О (г) при 298 К дорівнює:
D r H ° 298 = -94,1 + 2 (-57,8) - (-17,9) = -191,8 ккал / моль.
Знайдемо різницю теплоємностей як функцію температури:
р = С р (СО 2) + 2 С р2 О (г)) - С р (СН 4) - 2С р2),
р = 5,16 - 0,0094 Т (кал * моль -1 * До -1).
Ентальпію реакції при 1000 К розрахуємо за рівнянням Кірхгофа:
D r H ° 1000 = D r H ° 298 + ,
D r H ° 1000 = (-191800 +5,16 (1000-298) -0,0094 (1000 2 -
- 298 2) / 2) кал * моль-1 = -192500 кал * моль -1.
Відповідь: -192500 кал * моль -1.
2.3 Завдання
2-1. Визначте тепловий ефект реакції:
Al 2 O корунд + 3SO 3 = Al 2 (SO 4) 3 кр + DU C, якщо реакція протікає при 298 К в автоклаві при постійному обсязі, а тепловий ефект реакції при р = const дорівнює -573,4 кДж. (-566,0 * 10 3 кДж)
2-2. Стандартна ентальпія реакції:
СаСО 3 (тв) = СаО (тв) + СО 2 (г),
протікає у відкритому посуді при температурі 1000 К, дорівнює 169 кДж моль -1. Чому дорівнює теплота цієї реакції, що протікає при тій же температурі, але в закритій посудині? (160,7 кДж * моль -1)

2-3. Розрахуйте ентальпію освіти N 2 О 5 (г) при

Т = 298 К на підставі наступних даних:

2 NО (р) + О 2 (г) = 2NО 2 (г), DН 1 0 = -114,2 кДж моль -1,

4NО 2 (р) + О 2 (г) = 2N 2 О 5 (г), DН 2 0 = -110,2 кДж моль -1,

N 2 (г) + О 2 (г) = 2NО (г), DН 3 0 = 182,6 кДж моль -1.

(13,3 кДж * моль -1)

2-4. Реакція горіння ацетилену при стандартних умовах виражається рівнянням:

З 2 Н 2 +2,5 О 2 = 2СО 2 + Н 2 О ж-1300кДж.

Визначте теплоту утворення ацетилену при постійному тиску (226,5 кДж).

2-5. Стандартні ентальпії утворення рідкої і газоподібної води при 298 К дорівнюють -285,8 і -241,8 кДж моль -1 відповідно. Розрахуйте ентальпію випаровування води при цій температурі. (44,0 кДж моль -1)
2-6. Розрахуйте стандартний тепловий ефект реакції:
CаSO 4 (ТБ) + Na 2 CO 3 (aq) = CaCO 3 (ТБ) + Na 2 CO 3 (aq) при 298 К, якщо D f М 0 298 (CаSO 4 (ТБ)) = -1434 кДж моль - 1 (-5,0 кДж моль -1)
2-7. Відомі теплові ефекти наступних реакцій:
СН 3 СООC 2 Н 5 (ж) + ОН Ї (aq) = СН 3 СОО Ї (aq) + C 2 Н 5 ОН (ж), D r Н 0298 =- 54,7 кДжмоль -1;
Н 3 СООН (ж) + ОН Ї (aq) = СН 3 СОО Ї (aq) + Н 2 О (ж); D r Н 0298 =- 57,3 кДжмоль -1;
СН 3 СООC 2 Н 5 (ж) +2 Н 2 (р) = 2C 2 Н 5 ОН (ж),
D r Н 0298 =- 76,4 кДжмоль -1.
Розрахуйте тепловий ефект реакції:
C 2 Н 5 ОН (ж) + О 2 (г) = СН 3 СООН (ж) + Н 2 О (ж), якщо ентальпія утворення рідкої води дорівнює -285,8 кДж моль -1. (-492,6 КДж моль -1)
2-8. На скільки градусів підвищиться температура при розчиненні 0,5 моль сірчаної кислоти в 400 г води, якщо теплота розчинення сірчаної кислоти дорівнює -74,94 кДж, а питома теплоємність розчину дорівнює 3,77 Дж / м · град? (22,14 ° С)
Тепловий ефект розчинення безводного сульфату літію дорівнює -26,71 кДж моль -1. Тепловий ефект розчинення кристалогідрату Li 2 SO 4 * H 2 O дорівнює -14,31 кДж моль -1 при
298 К. Обчисліть тепловий ефект освіти Li 2 SO 4 * H 2 O з безводної солі і води. Визначте процентний вміст води в частково вивітреної кристалогідраті сульфату літію, якщо тепловий ефект розчинення 1 кг цієї солі дорівнює -0,146 * 3 ​​жовтня кДж. (-12,40 КДж · моль -1)
Розрахуйте зміна ентальпії при нагріванні 2 кг
a-SiO 2 від 298 до 800 К, якщо залежність теплоємності від температури виражається рівнянням:
З 0 р = 46,94 +34,31 * 10 -3 Т - 11,3 * 10 5 / Т 2.
(1,0212 · 10 6 Дж)
Залежність теплового ефекту реакції Н 2 (р) + Ѕ О 2 (г) = Н 2 О (г) від температури виражається рівнянням:
D r H ° Т (Дж / моль) = -237,65 * 10 3 - 13,01 Т + 2,88 * 10 -3 Т 2 -1,71. Розрахуйте зміна теплоємності DС рV для цієї реакції при 800 К. (DС р = -8,14 Дж моль-1 К -1,V = -3,98 Дж моль-1 До -1)
Визначте тепловий ефект хімічної реакції СН 3 ОН (р) + 3/2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О (г) при 500 К і стандартному тиску. При розрахунку скористайтеся середня теплоємність речовин в інтервалі температур від 298 до 500 К. (-673,29 кДж)
Стандартна ентальпія утворення формальдегіду при 25 ° С дорівнює -108,6 кДж / моль. Розрахуйте стандартну ентальпію утворення формальдегіду при 150 ° С, якщо відомі теплоємності: (-110,7 кДж моль -1)
Речовина
С (графіт)
Н 2 (г)
N 2 (г)
З 2 Н 5 N (г)
З р, Дж * моль -1 * К -1
8,53
28,82
29,13
53,10

Глава3. Другий закон термодинаміки
3.1 Питання та вправи
1) Наведіть кілька формулювань другого закону термодинаміки і напишіть його математичний вираз.
2) Що таке к.к.д.? Чому його значення завжди менше одиниці?
3) У чому полягає значення другого закону термодинаміки для фізичної хімії та хімічної технології?
4) На відміну від першого закону термодинаміки другий закон носить статистичний (імовірнісний) характер. Що це означає?
5) Що таке вільна і пов'язана енергія?
6) Що таке ентропія?
7) Як буде змінюватися ентропія води при її переході з твердого стану в рідкий і з рідкого в газоподібний?
8) Чому ентропія системи завжди більше нуля?
9) Напишіть рівняння зміни ентропії для ізотермічних оборотних неізольованих, оборотних ізольованих і ізольованих незворотних процесів.
10) У чому полягає фізичний зміст ізобарно-ізотермічного і ізохорно-ізотермічного потенціалів? Напишіть рівняння, що показують зв'язок між термодинамічними потенціалами та іншими термодинамічними функціями.
11) Що показує знак і величина ізобарно-ізотермічного потенціалу? Визначте, які з наведених нижче реакцій будуть протікати в прямому, а які - у зворотному напрямку. Яка з цих реакцій буде ближче всього до рівноваги в момент змішування еквімолярних кількостей усіх речовин, що беруть участь в реакції, а яка - далі все? Всі речовини газоподібні, температура і тиск постійні.
Реакція
Ізобарно-ізотермічний потенціал (дж / моль)
a) SO 2 + Ѕ O 2 = SO 3
b) 2HCl = H 2 + Cl 2
c) CO + H 2 O = CO 2 + H 2
d) 2H 2 + O 2 = 2H 2 O
- 69 920
+190 500
- 28 889
- 457 617
3.2 Приклади
Приклад 3-1
Розрахуйте зміну ентропії при нагріванні 0,4 моль хлориду натрію від 20 до 850 ° С. Мольна теплоємність хлориду натрію дорівнює:
З р (NaCl (тв)) = 45,94 +16,32 * 10 -3 Т Дж * К -1 * моль -1,
З р (NaCl (ж)) = 66,53 Дж * К -1 * моль -1. Температура плавлення хлориду натрію 800 ° С, теплота плавлення 31,0 кДж * моль -1.
Рішення:
Загальна зміна ентропії складається з трьох складових:
1) нагрівання твердого хлориду натрію від 20 до 800 ° С,
2) плавлення,
3) нагрівання рідкого хлориду натрію від 800 до 850 ° С.
DS 1 =
DS 2 =
DS 3 =
DS = DS 1 + DS 2 + DS 3, DS = (28,94 + 11,6 + 1,21) Дж * К -1 = 41,75 Дж * К -1
Відповідь: 41,75 Дж * К -1

Приклад 3-2
Знайдіть зміна ентропії газу і навколишнього середовища, якщо n молей ідеального газу розширюються від об'єму V 1 до об'єму V 2:
А) оборотно,
Б) проти зовнішнього тиску р.
Рішення:
А) зміна ентропії газу при оборотному ізотермічному розширенні можна знайти за допомогою термодинамічного визначення ентропії з розрахунком теплоти розширення за першим законом:
DS r = Q обр / T = nRlnV 2 / V 1.
Оскільки розширення оборотне, то загальна зміна ентропії Всесвіту дорівнює 0, тому зміна ентропії навколишнього середовища дорівнює зміні ентропії газу з оберненим знаком:
DS окр =-DS r =-n RlnV 2 / V 1.
Б) Зміна ентропії газу при необоротному розширенні проти зовнішнього тиску буде таким же, як і при оборотному розширенні. Інша справа - ентропія навколишнього середовища, яку можна знайти, розрахувавши з допомогою першого закону теплоту, передану системі:
DS окр = Q окр / T = - W / Т = р (V 1 - V 2) / Т.
У цьому висновку використаний той факт, що DU = 0 (т.к.температура постійна). Робота, що здійснюється системою проти постійного тиску, дорівнює:
W = р (V 2 - V 1),
а теплота, прийнята навколишнім середовищем, дорівнює роботі, досконалою системою, з протилежним знаком. Загальна зміна ентропії газу і навколишнього середовища більше 0:
DS = N RlnV 2 / V 2 + р (V 1 - V 2) / Т> 0
як і годиться для незворотного процесу.
Приклад 3-3
Розрахуйте зміну ентропії 1000 г метанолу в результаті його замерзання при -105 ° С. Теплота плавлення твердого метанолу при -98 ° С дорівнює 3160 Дж * моль -1. Теплоємність твердого та рідкого метанолу рівні 55,6 і 81,6 Дж * К -1 * моль -1, відповідно.
Рішення:
Необоротний процес кристалізації метанолу при температурі -105 ° С можна представити у вигляді послідовних оборотних процесів:
А) нагрівання метанолу від -105 ° С до температури кристалізації (-98 ° С),
Б) кристалізація метанолу при -98 ° С,
У) охолодження метанолу від -98 ° С до -105 ° С:
175 До ж 2 тв
3 січня
168 До ж? тв
Зміна ентропії в першому і в третьому процесах (при зміні температури) розраховується за формулою:
DS 1 = nC р (Ж) lnT 2 / Т 1, де n = m / М,
DS 1 = (1000/32) 81,6 * ln175/168 Дж * К -1 = 104,10 Дж * К -1,
DS 3 = (m / М) C р (тв) lnT 2 / Т 1,
DS 3 = (1000/32) 55,6 ln168/175 Дж * К -1 = -70,93 Дж * К -1.
Зміна ентропії у другому процесі розраховується як для звичайного фазового переходу, враховуючи, що теплота при кристалізації виділяється:
DS 2 = D кр Н / Т кр,
DS 2 = - (1000/32) 3160/175 Дж * К -1 = -564,29 Дж * К -1.
Загальна зміна ентропії дорівнює сумі по цих трьох процесів:
DS = DS 1 + DS 2 + DS 3, DS = (104,10 - 564,29 - 70,93) Дж * К -1 =
= -531,12 Дж * К -1.
Відповідь: -531,12 Дж * К -1.

Приклад 3-4

Розрахуйте зміну ентропії при змішанні благаючи водню з 1 моль азоту при тиску 1,013 * 10 5 Па і постійній температурі.
Рішення:
При змішанні гази будуть дифундувати один в одного. За даних умов гази можна прийняти за ідеальні. Тому загальна зміна ентропії при змішуванні газів дорівнюватиме сумі змін ентропій кожного газу при його розширенні до обсягу суміші. Оскільки процес ізотермічний, то для кожного газу:
DS = NR * lnV 2 / V 1. V = nRT / р, V H 2 = V N 2 Þ
DS N 2 = DS H 2 = nR * ln2 = 1 * 8,314 * ln2 Дж / ​​К = 5,763 Дж / К
DS = DS H 2 + S N 2, DS = (5,763 + 5,763) Дж / ​​К = 11,526 Дж / ​​К.
Відповідь: 11,526 Дж / К.
3.3 Завдання
3-1. Розрахуйте зміну ентропії при нагріванні 0,7 моль моноклінної сірки від 25 до 200 ° С при тиску 1 атм. Мольна теплоємність сірки дорівнює: З р (S (тв)) = 23,64 Дж * К -1 * моль-1, С р (S (ж)) = (35,73 + 1,17 * 10 -3 Т) Дж * К -1 * моль -1. Температура плавлення моноклінної сірки 119 ° С, питома теплота плавлення 45,2 Дж * г -1. (11,88 Дж * До -1)
3-2. Один кілограм води, взятої при 0 ° С, переведений в стан перегрітої пари з температурою 200 ° С і тиску 1,013 * 10 5 Па. Обчисліть зміна ентропії цього переходу, якщо питома теплота випаровування води при 100 ° С дорівнює 2257 Дж / ​​г, питома теплоємність водяної пари при тиску в 1,013 * 10 5 Па дорівнює 1,968 Дж * К -1 * моль -1. (7824,8 Дж)
3-3. Під тиском 19,6 * 10 4 Па нагрівають 2 * 10 - 3 м3 аргону до тих пір, поки обсяг його не збільшиться до 12 * 10 - 3 м3 . Яке зміна ентропії, якщо початкова температура 373 К. (2,44 Дж * К -1 * моль -1)
3-4. Обчисліть зміна ентропії при нагріванні 16 кг О 2 від 273 до 373 К при постійному обсязі. Вважайте кисень ідеальним газом. (3242,46 Дж * До -1)
3-5. 3,00 моль газоподібного СО 2 розширюються ізотермічні (у тепловому контакті з навколишнім середовищем, що має температуру 15,0 ° С) проти постійного зовнішнього тиску 1,00 бар. Початковий та кінцевий обсяги газу рівні 10,0 л і 30,0 л , Відповідно. Розрахуйте зміну ентропії:
а) системи, вважаючи СО 2 ідеальним газом,
б) навколишнього середовища,
в) Всесвіту.
(DS сист = 27,4 Дж * К -1, DS окр = -6,94 Дж * К -1, DS Всел = 20,46 Дж * До -1)
3-6. Знайдіть зміна ентропії газу газу і навколишнього середовища, якщо n молей ідеального газу розширюються ізотермічні від тиску р 1 до тиску р 2: а) оборотно; б) проти зовнішнього тиску р <р 2.
(А) DS газ = nRln (p 1 / p 2), DS окр =-nRln (p 1 / p 2),
б) DS газ = nRln (p 1 / p 2), DS окр = nRр (1 / p 1 - 1 / p 2))
3-7. Розрахуйте зміну ентропії 1000 г води в результаті її замерзання при -5 ° С. Теплота плавлення льоду при 0 ° С дорівнює 6008 Дж * моль -1. Теплоємність льоду і води рівні 34,7 і 75,3 Дж * К -1 * моль -1, відповідно. Поясніть, чому ентропія при замерзанні зменшується, хоча процес мимовільний. (-1181Дж / К)
3-8. Обчисліть зміна ентропії в процесі затвердіння 1 моль переохолодженого бензолу при 268 К, якщо при 278 К DН пл (бензолу) = 9956Дж * моль -1, С р бензолу (ж) = 127,3 Дж * К -1 * моль -1,
З р бензолу (тв) = 123,6 Дж * К -1 * моль -1, Р = cоnst = 1,01 * 10 5 Па. (35,61 Дж * К -1 * моль -1)
3-9. Визначте зміна ентропії, якщо 100 * 10 -3 кг води, взятої при 273 К, перетворюється на пару прі390 К. Питома теплота випаровування води при 373 К дорівнює 2263,8 * 10 -3 Дж * кг -1; питома теплоємність рідкої води 4 , 2 Дж * кг -1 * К -1; питома теплоємність пари при постійному тиску 2,0 * 10 -3 Дж * кг -1 * К -1. (142 Дж * К -1 * моль -1)
3-10. Азот ( 0,001 м 3 ) Змішаний з 0,002 м 3 кисню при 27 ° С і тиску 1,013 * 10 5 Па. Знайти загальний зміна ентропії системи. (0,645 Дж)
3-11. У двох сполучених посудинах, розділених перегородкою, знаходяться 1 моль азоту і 2 моль кисню. Перегородку виймають, гази змішуються. Розрахуйте загальну зміну ентропії, якщо вихідні температури і тиску однакові, а обсяги різні; V N 2 = 1 л , V O 2 = 2 л . Кінцевий тиск суміші одно вихідного тиску газу. (15,876 Дж * К -1 * моль -1)
3-12. У двох судинах однаковою ємності знаходиться: в першому 2,8 г азоту, у другому 4 г аргону. Визначте зміна ентропії при дифузії, що виникає в результаті з'єднання судин з газами. Температура і тиск постійні. (1,15 Дж)
3-13. Змішали 1 моль аргону, взятого при T Ar = 293 К, з 2 моль азоту, взятого при Т N 2 = 323 К. Вихідні тиску компонентів і кінцевий тиск суміші однакові. Обчисліть температурну складову ентропії змішання. Теплоємність аргону дорівнює 20,8 Дж * К -1 * моль -1 і азоту 29,4 Дж * К -1 * моль -1. (0,033 Дж * К -1 * моль -1)

Глава 4. Термодинамічні потенціали
4.1 Приклади
Приклад 4-1
Два моля гелію (ідеальний газ, мольна теплоємність
З р = 5/2R) нагрівають від 100 до 200 ° С при р = 1 атм. Обчисліть зміну енергії Гіббса в цьому процесі, якщо відомо значення ентропії гелію,
S ° 373 = 131,7 Дж * К -1 * моль -1. Чи можна вважати цей процес мимовільним?
Рішення:
Зміна енергії Гіббса при нагріванні від 373 до 473 К можна знайти, проінтегрувати приватну похідну по температурі:

Залежність ентропії від температури при постійному тиску визначається ізобарно теплоємністю:

Інтегрування цього виразу від 373 К до Т дає:

Підставляючи цей вираз в інтеграл від ентропії, знаходимо:

Процес нагрівання не зобов'язаний бути мимовільний, тому що зменшення енергії Гіббса служить критерієм мимовільного протікання процесу тільки при Т = const і р = const.
Відповідь: -26850 Дж.
Приклад 4-2
Розрахуйте зміну енергії Гіббса в реакції:
СО + 1/2О 2 = СО 2
при температурі 500 К та парціальних тисках 3 бар. Чи буде ця реакція мимовільної за даних умов? Гази вважати ідеальними. Необхідні дані візьміть з довідника.
Рішення:
Термодинамічні дані при температурі 298 К і стандартному тиску 1 бар зведемо в таблицю:
Речовина
Ентальпія освіти D f Н ° 298, кДж * моль-1
Ентропія S ° 298, Дж * К -1 * моль-1
Теплоємність С р, Дж * К -1 * моль-1
СО
-110,5
197,6
29,14
О 2
0
205,0
29,40
СО 2
-393,5
213,7
34,57
Реакція
D r Н ° 298, кДж / моль
D r S ° 298, Дж * К -1 * моль-1
D r З p,
Дж * К -1 * моль-1
СО + Ѕ О 2 = СО 2
-283,0
-86,4
-9,27
Приймемо, що D r З p = Соnst. Зміни термодинамічних функцій у результаті реакцій розраховані як різниця функцій реагентів і продуктів:

Df = f (СО 2) - f (СО) - 1 / 2 f (О 2).
Стандартний тепловий ефект реакції при 500 К можна розрахувати за рівнянням Кірхгофа в інтегральній формі:

D r Н ° 500 = -283000 + (-9,27) (500 - 298) = -284,9 кДж * моль-1
Стандартне зміна ентропії в реакції при 500 К можна розрахувати за формулою:

D r S ° 500 = (-86,4 + (-9,27) ln (500/298)) Дж * К -1 * моль -1 =
=- 91,2 Дж * К -1 * моль-1
Стандартне зміна енергії Гіббса при 500 К:
D r G ° 500 = D r Н ° 500 - 500D r S ° 500,
D r G ° 500 = (-284900 - 500 (-91,2)) кДж * моль-1 =- 239,3 кДж * моль -1.
Розрахуємо зміну енергії Гіббса при парціальних тисках 3 атм:

D r G (р 2) = - 240 200 + (-0,5) 8,31 * 500 * ln (3) = -242,5 кДж * моль -1.
Ця реакція може протікати мимовільно за даних умов.
Відповідь: D r G = -242,5 кДж * моль -1.
4.2 Завдання
4-1. Обчисліть зміна Н, U, F, G, S при одночасному охолодженні від 2000 К до 200 К і розширенні від 0,5 м 3 до 1,35 м 3 0,7 молей азоту (С V = 5/2R). Ентропія газу у вихідному стані дорівнює 213,4 Дж * К -1 * моль -1, газ можна вважати ідеальним.
(DН = -36,66 кДж, DU = -26,19 кДж, DF = 249,4 кДж,
DG = 238,9 кДж, DS = -27,72 Дж * До -1)
4-2. Розрахуйте DG ° при 25 ° С для хімічної реакції: 4НСl (г) + О 2 (г) = 2Cl 2 + 2Н 2 О (ж). Стандартні значення ентальпії освіти і абсолютної ентропії при 25 ° С рівні: D f Н ° (НСl) = -22,1 ккал * моль -1,
S ° (O 2) = 49,0 кал * К -1 * моль -1, D f Н ° (Н 2 О (ж)) = -68,3 ккал * моль -1, S ° (Сl 2) = 53,3 кал * К -1 * моль -1, S ° (НCl) = 44,6 кал * К -1 * моль -1,
S ° (Н 2 O (ж)) = 49,0 кал * К -1 * моль -1.
(DG ° = -22,2 ккал * моль -1)
4-3. Обчисліть зміну енергії Гіббса при стисканні
0,7 * 10 - 2 кг N 2 при 300 К і тиску від 5,05 * 10 4 до 3,031 * 10 5 Па (вважати азот ідеальним газом).
4-4. Обчисліть DG ° 298 для реакції
С (графіт) + 2Н 2 (р) = СН 4 (г).
Визначте DН ° 298 з наступних термохімічних рівнянь:
СН 4 (г) + 2О 2 (р) = СО 2 (г) + 2Н 2 О (ж) + DН ° 298,
СО 2 (г) = С (графіт) + О 2 (г) - DН ° 298,
2 О (ж) = 2Н 2 (р) + О 2 (г) - 2DН ° 298.
Значення DS ° 298 обчисліть за допомогою постулату Планка.
4-5. Розрахуйте стандартні енергії Гіббса і Гельмгольца при 700 ° С для хімічної реакції:
СаСО 3 (тв) = СаО (тв) + СО 2 (г).
Теплоємності речовин вважати постійними.
(D r G ° 973 = 24,4 кДж * моль -1, D r F ° 973 = 16,3 кДж * моль -1)
4-6. Обчисліть зміна DG ° для 1 моль NН 3 в процесі изобарических нагрівання (Р = 1,013 * 10 5 Па) від Т 1 = 300 до Т 2 = 400 К, якщо С р = соnst. (-17,467 КДж * К -1 * моль -1)
4-7. Знайдіть енергію Гіббса освіти NН 3 при температурах 298 і 400 К, якщо відомі такі дані: D f Н ° 298 (NН 3) = -46,2 кДж * моль -1,
Речовина
N 2
Н 2
NH 3
З p, 298, Дж * К -1 * моль-1
29,1
28,8
35,7
S ° 298, Дж * К -1 * моль-1
191,5
130,6
192,5
Вважати, що теплоємності в зазначеному інтервалі температур постійні.
(D f G ° 298 (NH 3) = -16,7 кДж * моль -1, D r G ° 400 (NH 3) = -6,19 кДж * моль -1)

Література
1) Г.С. Каретніков, І.В. Кудряшов. Збірник прикладів і завдань з фізичної хімії. - М: Вища школа, 1991 р .
2) І.І. Клімов, А.І. Філько. Збірник прикладів і завдань з фізичної та колоїдної хімії. - М: Освіта, 1975 р .
3) В.В. Єрьомін, С.І. Карго, І.А. Успенська, Н.Є. Кузьменко, В.В. Лунін. Основи фізичної хімії. Теорії і завдання. - М: Іспит, 2005.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Курсова
90.6кб. | скачати


Схожі роботи:
Хімічна термодинаміка
Термодинаміка
Термодинаміка 2
Термодинаміка і синергетика
Статистична термодинаміка
Термодинаміка поверхневого шару
Молекулярна фізика і термодинаміка
Термодинаміка і закон розподілу
Термодинаміка-топологічний аналіз
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru