Реферат: Химическая термодинамика

Так, например, водород и кислород, соединяясь со взрывом, при обычных температурах образуют воду, при высоких температу­рах реагируют обратимо, а при температуре выше 4000 К существование водяного пара практически невозможно. Таким образом, разность энтальпий реакции еще не определяет возможности ее протекания в данных конкретных физических условиях.

Изменение химической энергии зависит от условий, поэтому раз­витие химических реакций, как и всех остальных процессов, на­пример тепловых, определяется вторым началом термодинамики. Согласно второму началу термодинамики (сформулированному в окончательной форме Клаузиусом и Гельмгольцем в середине XIX в.) теплота может переходить в работу только при нали­чии разности температур и не целиком, а с определен­ным термическим коэффициентом полезного действия (η):

   (12)

где A — работа, полученная за счет перехода теплоты от тела с вы­сокой температурой (Т1) к телу с низкой температурой (Т2); Q1 — теплота, взятая у нагретого тела с температурой Т1; Q2 — теплота, отданная холодному телу с температурой Т2.

Учитывая, что температура выражена в абсолютной шкале, мы видим, что КПД тепловых машин вообще невелик. Например, КПД теплоэлектроцентрали, работающей с перегревом пара до 673 К и с конденсатором при Т2 =323 К

 или 52%

(И это без учета всех остальных потерь в рабочем цикле турбин и механических потерь!)

Таким образом, для любых процессов, протекающих под дей­ствием разности потенциалов (grad P), каковой для тепловых про­цессов является разность температур, для элект­рических — разность потенциалов, для механи­ческих — разность высот и т.д., общим является сравнительно низкий коэффициент полезного действия. Значение КПД обращается в единицу, если в уравнении (12) Т20, но абсолютный нуль недостижим. Следовательно, всю энергию нагретого тела при температуре Т1, в работу превратить нельзя.

Заряд q проходит разность потенциалов, со­вершая работу

A=q(U1-U2).                  (13)

Однако всю энергию он отдает только в том слу­чае, если U2→O.

Вода вращает турбину при перепаде уровней воды: верхний бьеф — нижний бьеф плотины:

                (14)

Однако всю энергию положения (потенциальную) вода отдаст только в том случае, если h2 → 0, т. е. вода будет падать до центра земли, что невозможно.

Таким образом, при совершении работы часть общей энергии системы остается неиспользованной.

При течении химических реакций энтальпия начальных продук­тов не может вся перейти в работу или теплоту, так как в конеч­ных продуктах реакции сумма энтальпий не равна нулю. Если гра­диент движущих сил (Т, U, h и т. д.) равен нулю, то и работа, со­вершающаяся в процессе, равна нулю, а система будет находиться в состоянии равновесия: при Т1=Т2  закончится теплообмен: элек­трический заряд не осуществляет работы, если U1 = U2 турбины не работают при спущенной плотине; химическая реакция будет достигать равновесия, когда количество полученных конечных про­дуктов равно количеству разложившихся конечных продуктов на первоначальные за единицу времени.

Исследуя выражение для КПД тепловой машины, Клаузиус ввел новую термодинамическую функцию, которую назвал энтропией. В самом деле:

 или

отсюда

 или   (15)

 Таким образом, при проведении цикла в идеальной тепловой машине (цикл Карно) и получении механической работы отношение полученной теплоты к температуре нагретого источника равно та­кому же отношению для холодного источника. Так как Q является в уравнении (15) приращением энергии, то можно это отношение записать в дифференциальной форме для элементарных циклов:

суммируя изменения по всему циклу тепловой машины, можно за­писать

         (16)

где dQ — приращение теплоты; Т — соответствующая температура;— интеграл по замкнутому контуру.

Подынтегральное выражение Клаузиус принял за приращение новой функции S — энтропии:

   или           (17)

Энтропия представляет собой функцию параметров состояния (р,v,Т) и может оценить направление процесса в системе, стре­мящейся к равновесию, так как для идеального или равновесного процесса ее изменение равно нулю: dS=0.

 В самом деле, заменяя dQ на изменение внутренней энергии и работы dQ=dU+pdv, можно записать

      (18)

Если U=const и v = const, то в идеальном процессе dS=0, что, по существу, определяет равновесие системы (обратимый процесс), и в этом случае энтропия стремится к максимальному значению:

S→Smax.

Приращение энтропии определяется развитием необратимых процессов, протекающих самопроизвольно, которые прекращаются только при достижении равновесия в системе.

Однако требование постоянства внутренней энергии системы ис­ключает возможность использования только одной этой функции для исследования химических реакций, при которых внутренняя энергия веществ, составляющих систему, неизбежно меняется.

Гиббс предложил другую термодинамическую функцию, иссле­дуя которую можно определить направление процессов в системе, стремящейся к равновесию при T=const и p=const:

G=H¾TS    (19)

где G — энергия Гиббса (или термодинамический потенциал, как назвал эту функцию Гиббс); Н—энтальпия; S—энтропия; Т— абсолютная температура.

 Опуская все математические исследования термодинамической функции G, можно считать, что функция G для системы, стремя­щейся к равновесию, убывает, при достижении равновесия она при­нимает минимальное значение (G→Gmin), а ее приращение обра­щается в нуль (ΔG=0).

ЭНТРОПИЯ

Наиболее информативной термодинамической функцией в уравне­нии (19) является энтропия S.

Значение энтропии легко определить только для состояния иде­ального газа. Используем для вычисления S уравнение (18), где dU — изменение внутренней энергии, равное для идеального газа СvdT т.е. теплоемкости при постоянном объеме, умноженной на приращение температуры: pdv — приращение работы, которое можно представить как, заменив р на RT/v. Отсюда

       (20)

После интегрирования в пределах 0¾T получаем

        (21)

Общая энтропия системы

    (22)

где S1 и S2 — молярные энтропии первого и второго газов. Удалим перегородку r и дадим возможность газам образовать смесь, равномерно распределенную по всему объему  (рис 2,б), где v —молярный объем газа при данных р и Т. На каждый моль компонентов смеси приходятся пропорциональ­ные части объема:

   и   

Подставляем значения этих объемов в уравнение (21) и получаем значения энтропии для одного моля компонента в смеси:

Общий запас энтропии в смеси газов тоже увеличился:

 (23)

Приращение энтропии в газовой смеси зависит от соотношения чисел молей компонентов n1 и n2. Если положить, что n1 → 0, то энтропия этого газа

но доля, вносимая этим компонентом в общий запас энтропии сис­темы, также стремится к нулю: . В то же время если n1→ 0, то (n1+n2)/n2 стремится к 1, а  тоже  стремится к нулю. Следовательно, при исчезновении одного из  компонентов газовой смеси энтропия другого компонента станет равна энтропии чистого газа:

.

Так как отношение (n1+n2)/n1 представляет собой величину, обратную молярной доле данного компонента

то в общем виде можно записать выражение энтропии моля газа в смеси следующим образом:

              (24)

           (25)

Полученное выражение определяет очень важное понятие, а имен­но—рассеяние вещества, так как если N → 0, то энтропия стре­мится к ∞.

В природе существуют так называемые рассеянные элементы, общее содержание которых, вообще говоря, не так мало, но они присутствуют в очень малых количествах в различных минералах, водах и т. д. Для того чтобы выделить эти элементы в свободном виде, их сначала надо концентрировать, а это трудно и требует очень большой затраты энергии. Так, например, морская вода содержит ничтожные количества золота, но так как воды в мировом океане очень много, то и золота в ней тоже огромное количество» Однако если золото выделять из морской воды известными метода­ми, то оно будет «дороже золота».

Приращение энтропии при смещении газов — RlnNi можно использовать при рассмотрении любых разбавленных растворов. В растворах более концентрированных взаимодействие между моле­кулами растворенного вещества уменьшает их активность, и поэто­му в таких случаях вместо величин концентрации в уравнение под' ставляют величины «активности» а:

где а — активность; γ — коэффициент активности, стремящийся в разбавленных растворах к единице; Ni, — молярная доля. Энтро­пия реальных веществ, способных менять свое агрегатное или по­лиморфное состояние, определяется сложнее, так как для каждого состояния значение энтропии будет иное.

Изменение энтропии ΔS при любом превращении вещества мож­но определить по уравнению

                  (26)

где ΔHпревращ— изменение энтальпии при превращении; Тпревращ —  температура превращения.

 Зависимость энтропии от температуры определяется из уравнения

                         (27)

где Ср — теплоемкость при постоянном давлении  . Общая формула температурной зависимости с учетом возмож­ных агрегатных превращений будет

  (28)

Для удобства расчетов и построения таблиц в справочниках приняты стандартные значения энтропии при Т =298,15 К и р = 1,013∙105Па, т.е. значения при тех же условиях, что и в случае расчета энтальпий. Некоторые значения стандартных энтропии приведены в табл.1 .

Таблица 1. Значения стандартных энтропий S0  для некоторых веществ.      

 Как видно из табл. 1, для воды наблюдается рост энтропии при изменении ее агрегатных состояний от кристаллов к газу.

При переходе вещества от упорядоченного состояния (кристалл) в жидкое или газообразное состояние энтропия моля вещества растет.

Больцман, развивая статистические идеи в термодинамике, впервые показал сущность энтропии для идеальных газов, определив ее пропорциональность термодинамической вероятности Wi

Термодинамическая вероятность Wi рассматривается как число возможных способов построения данной системы или число микросостояний, с помощью которых осуществляется данное макросостояние вещества. Естественно, упорядочена система, например кристалл, тем меньше возможных микросостояний (отклонений от равновесного состояния) и тем меньше энтропия.

II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ЭФФЕКТА НЕЙТРАЛИЗАЦИИ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

Цель работы - определение теплового эффекта реакции нейтра­лизации и проверка закона Гесса.

Нейтрализация 1 г-экв любой сильной кислоты сильным основа­нием в достаточно разбавленном растворе сопровождается почти одинаковым экзотермическим тепловым эффектом, отвечающим одному и тому же процессу ¾ образованию 1 моля жидкой воды из гидратированных ионов  и   по уравнению:

ΔНнейтр  = ¾ 55.9 кДж/г-экв

ственно массы стакана, мешалки, кислоты и щелочи; Сст ¾ удельная теплоемкость стакана (стекла), равная 0,69 кДж/кг∙К;

СМ - удельная теплоемкость мешалки (стали),равная 0,42 кДж/кг∙К; Ск , Сщ ¾ удельные теплоемкости кислоты и щелочи (4.2 кДж/∙К).

   РАСЧЕТЫ.

Уравнение реакции:

Нормальность ¾ это количество эквивалентов в 1 л.

49гр. ¾ 1н.

X гр. ¾   2н.

X = 98 г./экв.

1.

Q = (0.69 ∙ 132 + 0.42 ∙ 23.2 + 4.2 ∙ 200 + 4.2 ∙ 40) ∙ 4.8 = 5322.35

 ΔНнейтр = ¾ Q / N = 5322.35 /98 = -54.3 кДж  

Ошибка опыта:

2.

Q1 = (0.69 ∙ 132 + 0.42 ∙ 23.2 + 4.2 ∙ 200 + 4.2 ∙ 40) ∙2.1=2328.5

Q2 = (0.69 ∙ 132 + 0.42 ∙ 23.2 + 4.2 ∙ 200 + 4.2 ∙ 40) ∙3.1=3437.35

Qобщ= Q1+ Q2

ΔНнейтр = ¾ Qобщ / N = 5765.85 /98 = -58.8 кДж

IV.        РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ.

Вариант № 5

№ 1

Ответ: ΔН = ¾ 204.8 кДж.

№ 2

Дано:

;      

;   

;      

Что бы пошла реакция прямо, необходимо, что бы  ΔG <0 :

ΔH-TΔS<0

T> ΔH/ΔS

T>2.8

Ответ: реакция пойдет при Т>298+2.8 Т> 300.8 К

№3

ΔH=¾ΔQ

Ответ: 39745 Дж

№4

Дано:

N2  ¾ 1 моль                     

H2 ¾ 3 моль

А)

Общая энтропия системы: + 3 ∙   = 583.3

В)

Энтропия при данной реакции будет:

№5

 4.9гр.         Х гр.

1 моль     2 моль

  98 г.          112г.

               ЭКОН =56/1=56

2Nкон =1л.

56/2=28 гр.

28гр ¾ 1л.                        

5.6 ¾ Х л.

Ответ: 200 мл.

Список используемой литературы:

1.    Учебное пособие к лабораторному практикуму по химии, М.,  изд-во МАИ, 1984г.

2.    Ахметов Н.С  Общая и неорганическая химия, М., Высшая школа, 1980г.

3.    В.В. Фролов  Химия М., Высшая школа, 1986г.