Giáo trình - Nhiệt động lực học - chương 8

Số trang: 9
Mã số: 186137
Loại file: PDF
Nhúng
Toàn màn hình
Thích
/ 9
Sao chép
130
Chương 8
NHIT ĐỘNG HÓA HC
8.1. ng dng định lut nhit động mt cho các phn ng hóa hc
8.1.1. Khái nim
Trước đây ta nghiên cu các quá trình nhit động ca môi cht, khi các thành phn
hóa hc ca chúng không thay đổi (không xy ra phn ng hóa hc). Thc tế trong các thiết b
năng lượng nhng quá trình trong đó xy ra phn ng hóa hc. d: quá trình cháy
nhiên liu trong bung đốt (lò hơi, tuabin khí) hay trong xylanh (động cơ đốt trong). Trong
quá trình cháy, khi nhit độ cao còn xy ra quá trình phân ly (phn ng ngược chiu) các
phân t phc tp thành các phân t đơn gin hơn. Trong các thiết b bc hơi, thiết b làm lnh
ca máy lnh cũng có các phn ng hóa hc xy ra.
Trong phn trước, trng thái ca môi cht được xác định khi biết hai thông s trng
thái độc lp, đây phi biết ba thông s. Ngoài các thông s trng thái đã biết trước đây, n
thêm mt thông s na đó nng độ, thường được ký hiu C. Nng độ lượng vt cht
(mol, …) cha trong mt đơn v th tích (m
3
). Thc tế, vi các phn ng hóa hc đáng chú ý
các quá trình đẳng tích-đẳng nhit (phn ng xy ra trong h kín), quá trình đẳng áp-đẳng
nhit (phn ng xy ra trong h h). đây cn chú ý rng, s không đổi ca các thông s ch
tính trng thái đầu và cui, còn các giá tr trung gian có th khác nhau.
Trong chương này, ni năng ca các cht bao gm ni nhit năng ni hóa năng (không k
đến các dng ni năng khác). Tuy nhiên, như đã nói, khi ch nghiên cu ti các quá trình đẳng
nhit thì biến đổi ni năng xem như bng không. Vy, khái nim ni năng đây ám ch ni
hóa năng. Trong các phn ng hóa hc ngoài ng thay đổi th tích, ng k thut, h còn có
th thc hin ng khác như cơ năng, đin năng,… Tuy nhiên, đây ta không xét ti các dng
công khác đó.
Trong phn y ta s quy ước du ca nhit lượng Q trong các phn ng hóa hc
ging như trong các sách hóa hc thường ng (ngược vi quy ước du trong các phn trước
đã hc). Đó là: phn ng ta nhit Q > 0 (trước đây nhit ly ra nên giá tr âm); phn
ng thu nhit Q < 0 (trước đây là nhit đem vào có giá tr dương).
8.1.2. Hiu ng nhit ca phn ng
Hiu ng nhit ca phn ng lượng nhit ln nht h (các cht tham gia phn
ng) trao đổi vi môi trường, đây chính lượng nhit trong phn ng hóa hc sinh ra (hoc
hp th) mt cách thun nghch và không thc hin công ngoài vi môi trường.
Theo phương trình định lut nhit động I dng tng quát, khi ký hiu nhit vi các quy ước
du ca nó là Q’, ta có:
n12
Q'Wl
=∆+ (a)
đây theo định nghĩa nhit phn ng, ta l
n12
= 0 vi cách quy ước du mi
ngược vi cũ, ta có Q’ = -Q. Vy t (a) ta có biu thc xác định nhit phn ng:
QW
=∆
hay
12
QWWW
==− (b)
đây:
W
1
– năng lượng toàn phn ca cht tham gia phn ng
W
2
– năng lượng toàn phn ca sn phm phn ng.
T (b) ta thy nhit sinh ra do s gim năng lượng toàn phn ca h.
Vi quá trình đẳng tích - đẳng nhit (h kín), ta có
WU
, vy t (b) ta có:
V12
QUU
=−
(8-1)
Vi quá trình đẳng áp - đẳng nhit (h h), ta
WI
=∆
(khi b qua động năng và thế
năng), vy t (b) ta có:
p12
QII
=−
(8-2)
Ta biết rng I = U – pV, khi p = const thì
IUpV
=+∆
.
Vy t (8-2) ta có:
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
LIÊN HỆ QUẢNG CÁO 0906.345.800
131
(
)
()
()
P21
P1221
PV21
QIIIUpV
QUUpVV
QQpVV
=−−==−∆
=−−
=−−
(8-3)
Biu thc trên nêu lên mi quan h gia nhit phn Q
p
và Q
v
.
Ta th biến đổi (8-3) như sau: gi s mol ca các cht tham gia phn ng n
1
, s mol ca
các cht to thành sau phn ng là n
2
(ch tính cho các cht khí không k đến cht lng
cht rn). Biến đổi s mol
21
nnn
=−
. Khi coi các khí trong phn ng khí lý tưởng, ta có
phương trình trng thái ca khí trong phn ng p = const, T = const như sau:
11
22
pVnRT
pVnRT
µ
µ
=
=
T đây ta có:
(
)
(
)
2121
pVVnnRTnRT
µµ
==∆ (c)
Khi thế (c) vào (12-3) ta có:
pv
QQnRT
µ
=−∆ (8-4)
T (8-4) ta nhn thy nhit độ càng ln thì s khác nhau gia giá tr Q
p
Q
v
càng nhiu.
Khi
n0
∆=
ta có
pv
QQ
=
; khi
n0
∆>
thì
pv
QQ
<
và khi
n0
∆<
thì
pv
QQ
>
.
Ta ly vài ví d:
Ví d 1: C + O
2
= CO
2
Trong phn ng này s mol các cht tham gia phn ng n
1
= 1 (không k cht cacbon th
rn), và s mol các cht to thành n
2
= 1. Vy,
21
nnn0
=−=
và ta có:
pv
QQ
=
Ví d 2: 2C + O
2
= 2CO
2
Trong phn ng này n
1
= 1; n
2
= 2. Vy
n1
∆=
và ta có:
pv
QQRT
µ
=−
Nghĩa là
pv
QQ
<
Ví d 3: 2H
2
+ O
2
= 2H
2
O
đây: n
1
= 2 + 1 = 3; n
2
= 2. Vy
n231
==−
và ta có:
pv
QQRT
µ
=+
Nghĩa là
pv
QQ
>
8.1.3. Định lut Ghex
Năm 1840 nhà bác hc Ghex người Nga tìm ra quy lut v s độc lp ca hiu ng
nhit ca quá trình phn ng hóa hc. Định lut Ghex phát biu như sau:
“Hiu ng nhit ca quá trình phn ng hóa hc được xác định bi trng thái đầu, trng thái
cui mà không ph thuc vào nhng trng thái trung gian ca h.
T định lut này ta suy ra:
a. Hiu ng nhit phân hy mt hp cht nào đó đúng bng hiu ng nhit khi to thành
nhưng du ngược li. (Nghĩa hiu ng nhit ca phn ng theo chiu thun
chiu ngược bng nhau nhưng ngược du). Ta có:
1
2
aA+bBcCdDQ
cCdDaAbBQ
++
+++
đây:
12
QQ
=−
b. Nhit cn để to nên mt cht nào đó không ph thuc vào quá trình to nên cht đó.
Ví d:
22
COCOQ
+=+
221
2CO2COQ
+=+
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
LIÊN HỆ QUẢNG CÁO 0906.345.800
132
222
2COO2COQ
+=+
đây ta có: Q = Q
1
+ Q
2
c. H hóa hc t trng thái ban đầu A th chuyn đến trng thái B bng nhng cách
khác nhau, d ACDB hay AEB (hình 12.1), thì tng hiu ng nhit theo các cách s
bng nhau. Ta có:
12345
QQQQQ
++=+
d. Khi hai phn ng xy ra t nhng trng thái ban đầu khác nhau A và B (hình 12.2)
nhưng ng đến trng thái cui C, hiu s hiu ng nhit ca chúng bng hiu ng
nhit khi chuyn t trng thái đầu A đến trng thái đầu B. Tht vy, heo quy lut (c)
va nêu trên, ta có:
Q + Q
2
= Q
1
nên: Q
1
- Q
2
= Q
Kết lun này giúp ta xác định hiu ng nhit ca phn ng khó làm thí nghim (ví d Q) nh
hiu ng nhit ca các phn ng khác đã biết (Q
1
, Q
2
).
Ví d: Cn xác định hiu ng nhit Q ca phn ng:
C + 1/2O
2
= CO + Q
Ta biết rng:
221
COCOQ
+=+
C + 1/2O
2
= CO + Q
2
đây Q
1
, Q
2
đã biết, vy ta có:
Q = Q
1
- Q
2
e. Hiu ng nhit ca phn ng bng tng s nhit to thành các sn phm cui tr đi
tng s nhit to thành các cht ban đầu. Ví d:
CH
4
+ 3O
2
= 2CO
2
+ 2H
2
O + Q
2
2224
COHOCH
Q2Q2QQ=+−
12.1.4. Định lut Kiếc –xp
Hiu ng nhit ca phn ng ph thuc vào các thông s biu th trng thái ca h. Thc
nghim cho thy hiu ng nhit thay đổi khi các thông s (trước hết nhit độ) ca h thay
đổi.
Năm 1858 Kiếc –xp đã thiết lp s ph thuc ca hiu ng nhit vào nhit độ ca phn ng.
T (12-1) (12-2) ta thy hiu ng nhit ph thuc vào hiu ni năng entanpi ca các
cht khí tham gia phn ng và sn phm phn ng. Khi gi thiết ni năng entanpi ca các
cht khí ch ph thuc vào nhit độ, t đó ví d theo (12-2) khi p = const, ta có:
p12
p
12
pp
p
p
p1p2
QII
dQ
dIdI
dTdTdT
dQ
CC
dT
=−


=−




=−
(12-5)
Xét phn ng dng tng quát:
abcd
nAnBnCnD
+→+
đây n
a
, n
b
, n
c
, n
d
s mol ca các cht khí tham gia phn ng sn phm phn ng.
Vy ta có:
p1apAbpB
CnCnC
=+
p2cpCdpD
CnCnC
=+ (a)
Thế (a) vào (12-5) ta có:
()
p
apApBcpCdpD
dQ
nCnnCnC
dT
=+−+ (b)
Nhit dung riêng ca các cht khí ph thuc vào nhit độ theo quan h:
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
BẤM ĐỂ XEM THÊM
Thông tin tài liệu
Ngày đăng: 2012-10-24 10:43:49
Chương 8 NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC 8.1. Ứng dụng định luật nhiệt động một cho các phản ứng hóa học 8.1.1. Khái niệm Trước đây ta nghiên cứu các quá trình nhiệt động của môi chất, khi mà các thành phần hóa học của chúng không thay đổi (không xảy ra phản ứng hóa học). Thực tế trong các thiết bị năng lượng có những quá trình trong đó có xảy ra phản ứng hóa học. Ví dụ: quá trình cháy nhiên liệu trong buồng đốt (lò hơi, tuabin khí) hay trong xylanh (động cơ đốt trong). Trong quá trình cháy, khi ở nhiệt độ cao còn xảy ra quá trình phân ly (phản ứng ngược chiều) các phân tử phức tạp thành các phân tử đơn giản hơn. Trong các thiết bị bốc hơi, thiết bị làm lạnh của máy lạnh cũng có các phản ứng hóa học xảy ra. Trong phần trước, trạng thái của môi chất được xác định khi 130 Chương 8 NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC 8.1. Ứng dụng định luật nhiệt động một cho các phản ứng hóa học 8.1.1. Khái niệm Trước đây ta nghiên cứu các quá trình nhiệt động của môi chất, khi mà các thành phần hóa học của chúng không thay đổi (không xảy ra phản ứng hóa học). Thực tế trong các thiết bị năng lượng có những quá trình trong đó có xảy ra phản ứng hóa học. Ví dụ: quá trình cháy nhiên liệu trong buồng đốt (lò hơi, tuabin khí) hay trong xylanh (động cơ đốt trong). Trong quá trình cháy, khi ở nhiệt độ cao còn xảy ra quá trình phân ly (phản ứng ngược chiều) các phân tử phức tạp thành các phân tử đơn giản hơn. Trong các thiết bị bốc hơi, thiết bị làm lạnh của máy lạnh cũng có các phản ứng hóa học xảy ra. Trong phần trước, trạng thái của môi chất được xác định khi biết hai thông số trạng thái độc lập, ở đây phải biết ba thông số. Ngoài các thông số trạng thái đã biết trước đây, còn thêm một thông số nữa đó là nồng độ, thường được ký hiệu là C. Nồng độ là lượng vật chất (mol, …) chứa trong một đơn vị thể tích (m3 ). Thực tế, với các phản ứng hóa học đáng chú ý là các quá trình đẳng tích-đẳng nhiệt (phản ứng xảy ra trong hệ kín), quá trình đẳng áp-đẳng nhiệt (phản ứng xảy ra trong hệ hở). Ở đây cần chú ý rằng, sự không đổi của các thông số chỉ tính ở trạng thái đầu và cuối, còn các giá trị trung gian có thể khác nhau. Trong chương này, nội năng của các chất bao gồm nội nhiệt năng và nội hóa năng (không kể đến các dạng nội năng khác). Tuy nhiên, như đã nói, khi chỉ nghiên cứu tới các quá trình đẳng nhiệt thì biến đổi nội năng xem như bằng không. Vậy, khái niệm nội năng ở đây ám chỉ nội hóa năng. Trong các phản ứng hóa học ngoài công thay đổi thể tích, công kỹ thuật, hệ còn có thể thực hiện công khác như cơ năng, điện năng,… Tuy nhiên, ở đây ta không xét tới các dạng công khác đó. Trong phần này ta sẽ quy ước dấu của nhiệt lượng Q trong các phản ứng hóa học giống như trong các sách hóa học thường dùng (ngược với quy ước dấu trong các phần trước đã học). Đó là: phản ứng tỏa nhiệt Q 0 (trước đây là nhiệt lấy ra nên có giá trị âm); phản ứng thu nhiệt Q < 0 (trước đây là nhiệt đem vào có giá trị dương). 8.1.2. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng Hiệu ứng nhiệt của phản ứng là lượng nhiệt lớn nhất mà hệ (các chất tham gia phản ứng) trao đổi với môi trường, ở đây chính là lượng nhiệt trong phản ứng hóa học sinh ra (hoặc hấp thụ) một cách thuận nghịch và không thực hiện công ngoài với môi trường. Theo phương trình định luật nhiệt động I dạng tổng quát, khi ký hiệu nhiệt với các quy ước dấu của nó là Q’, ta có: n12Q'Wl=D+ (a) Ở đây theo định nghĩa nhiệt phản ứng, ta có l n12 = 0 và với cách quy ước dấu mới ngược với cũ, ta có Q’ = -Q. Vậy từ (a) ta có biểu thức xác định nhiệt phản ứng: QW-=D hay 12QWWW=-D=- (b) Ở đây: W 1 – năng lượng toàn phần của chất tham gia phản ứng W 2 – năng lượng toàn phần của sản phẩm phản ứng. Từ (b) ta thấy nhiệt sinh ra do sự giảm năng lượng toàn phần của hệ. Với quá trình đẳng tích - đẳng nhiệt (hệ kín), ta có WUD=D, vậy từ (b) ta có: V12QUU=- (8-1) Với quá trình đẳng áp - đẳng nhiệt (hệ hở), ta có WID=D(khi bỏ qua động năng và thế năng), vậy từ (b) ta có: p12QII=- (8-2) Ta biết rằng I = U – pV, khi p = const thì IUpVD=D+D. Vậy từ (8-2) ta có: PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 131 () () () P21 P1221 PV21QIIIUpVQUUpVV QQpVV=--=-D=-D-D=--- =-- (8-3) Biểu thức trên nêu lên mối quan hệ giữa nhiệt phản Q p và Q v. Ta có thể biến đổi (8-3) như sau: gọi số mol của các chất tham gia phản ứng là n 1, số mol của các chất tạo thành sau phản ứng là n 2 (chỉ tính cho các chất khí không kể đến chất lỏng và chất rắn). Biến đổi số mol 21nnnD=-. Khi coi các khí trong phản ứng là khí lý tưởng, ta có phương trình trạng thái của khí trong phản ứng p = const, T = const như sau: 11 22pVnRTpVnRTmm== Từ đây ...
— Xem thêm —
Bình luận