Bài giảng Chương 1: Nguyên lý 1 nhiệt động học, nhiệt hóa học

Chia sẻ: Hoàng Phúc Đẹp Trai | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

334
lượt xem 36
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Một số khái niệm nhiệt động học, nhiệt hóa học, công và nhiệt, nguyên lý 1 nhiệt động học, nhiệt dung, định luật HESS, định luật KIRCHHOFF là những nội dung chính trong bài giảng chương 1 "Nguyên lý 1 nhiệt động học, nhiệt hóa học". Mời các bạn cùng tham khảo nội dung bài giảng để có thêm tài liệu phục vụ nhu cầu học tập và nghiên cứu

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Chương 1: Nguyên lý 1 nhiệt động học, nhiệt hóa học

CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ 1 NHIỆT 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM ĐỘNG HỌC – NHIỆT HÓA HỌC 1.1.1. HỆ a. Khái niệm: Hệ là một phần vật chất có giới hạn xác 1.1. Một số khái niệm định đang được khảo sát về phương diện trao đổi 1.2. Công và nhiệt năng lượng và vật chất. Phần còn lại của hệ là môi 1.3. Nguyên lý I nhiệt động học trường ngoài đối với hệ. 1.4. Nhiệt dung b. Ví dụ: Hệ gồm kim loại kẽm đang cho phản ứng với 1.5. Định luật HESS dung dịch HCl trong một becher: 1.6. Định luật KIRCHHOFF Zn + 2 HCl = ZnCl2 + H2 1 2 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1.1. HỆ 1.1.1. HỆ c. Phân loại: c. Phân loại: - Hệ kín (hệ đóng): là hệ chỉ trao đổi với môi trường - Hệ hở (hệ mở): là hệ có ngoài năng lượng nhưng không trao đổi vật chất. thể trao đổi cả năng lượng lẫn vật chất với môi trường ngoài. Hệ kín 3 4 1
1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1.1. HỆ 1.1.1. HỆ c. Phân loại: c. Phân loại: - Hệ đoạn nhiệt: là hệ không trao đổi chất và nhiệt nhưng có thể trao đổi công với mơi trường ngoài. - Hệ cô lập: là hệ không trao đổi cả năng lượng lẫn vật chất với môi trường ngoài. 5 6 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1.1. HỆ 1.1.2. TRẠNG THÁI Phân loại theo trạng thái:  Trạng thái là một từ nói lên đặc điểm của hệ - Pha: là tập hợp những phần đồng nhất của hệ có đang được khảo sát, là tập hợp tất cả những tính cùng tính chất lý, hóa ở mọi điểm, có cùng thành chất nhiệt động của hệ. phần hóa học và được tách biệt với các phần khác DH1 bằng bề mặt phân chia pha. DH2 Chất phản ứng Sản phẩm + Hệ đồng thể: là hệ chỉ có một pha. DH3 7 + Hệ dị thể: là hệ có từ 2 pha trở lên. 8 2
1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1.2. TRẠNG THÁI 1.1.2. TRẠNG THÁI a. Thông số (biến số) trạng thái: là những đại Có 2 loại thông số trạng thái: lượng vật lý đặc trưng cho tính chất nhiệt động của  Thông số cường độ: là những thông số không hệ như: nhiệt độ, áp suất, thể tích, nhiệt dung phụ thuộc lượng chất. riêng, nội năng, khối lượng… Ví dụ: nhiệt độ, áp suất, nhiệt dung …  Hệ có trạng thái xác định khi những thông số trạng thái của hệ xác định.  Thông số dung độ (khuếch độ): là những thông số phụ thuộc vào lượng chất.  Trạng thái của hệ sẽ thay đổi nếu ít nhất có một 9 trong những biến số trạng thái thay đổi. 10 Ví dụ: Khối lượng, thể tích, nội năng… 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1.2. TRẠNG THÁI 1.1.3. QUÁ TRÌNH b. Hàm trạng thái: là các đại lượng đặc trưng cho  Quá trình là tập hợp các giai đoạn biến đổi để mỗi trạng thái của hệ, thường có thể biễu diễn chuyển hệ từ trạng thái này sang trạng thái khác. dưới dạng một hàm số của thông số trạng thái  Sự thay đổi dù chỉ một thông số trạng thái cũng  Lưu ý: Hàm trạng thái chỉ phụ thuộc vào trạng kèm theo sự thay đổi trạng thái của hệ và thực thái đầu và cuối của hệ, không phụ thuộc vào các trạng thái trung gian. hiện một quá trình. Ví dụ: m  Nếu sau một số biến đổi mà hệ lại trở về trạng thái pv = nRT hay pv = RT 11 M 12 ban đầu thì gọi là quá trình kín hay chu trình. 3
1.2 NHIỆT VÀ CÔNG 1.2 NHIỆT VÀ CÔNG  Nhiệt (nhiệt năng): sự chuyển năng lượng có liên Quy ước dấu của công và nhiệt quan đến sự thay đổi cường độ chuyển động phân  Nếu hệ tỏa nhiệt thì nhiệt có trị số âm, Q < 0. tử của hệ. Ký hiệu là Q (cal hoặc J).  Nếu hệ thu nhiệt thì nhiệt có trị số dương, Q > 0.  Công: sự chuyển năng lượng có liên quan đến sự  Nếu hệ sinh công thì công có trị số dương, A > 0. chuyển dịch những khối lượng vật chất vĩ mô dưới tác dụng của những lực nào đó. Ký hiệu là A hay  Nếu hệ nhận công thì công có trị số âm, A < 0. 13 W (cal hoặc J). 14 1.2 NHIỆT VÀ CÔNG 1.2 NHIỆT VÀ CÔNG 1.2.1. NHIỆT 1.2.2. CÔNG  Lượng nhiệt năng Q cần dùng để đưa m gam 2 hóa chất tăng lên một khoảng nhiệt độ tương đối δA = P. dV ⟹ A = P. dV nhỏ từ T1 đến T2 là: 1 Q = mc(T2 - T1) (Dùng ký hiệu δA vì công A không phải là một Trong đó: c là nhiệt dung riêng (cal/g.K hoặc J/g.K) hàm số trạng thái, nó thay đổi tùy theo đường quá trình) 15 16 4
1.3 NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC 1.3 NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC 1.3.1. NỘI NĂNG 1.3.1. NỘI NĂNG Nội năng của hệ là năng lượng dự trữ ở bên trong  Nội năng được ký hiệu là U (cal hoặc J) hệ, do:  Biến thiên nội năng: DU = U2 – U1 - Ðộng năng chuyển động phân tử: tịnh tiến, quay, (U2 và U1 lần lượt là trị số của U ở trạng thái cuối và dao động. trạng thái đầu của hệ) - Năng lượng tương tác giữa các phân tử: hút, đẩy.  Nội năng U là hàm trạng thái nên chỉ phụ thuộc - Năng lượng các điện tử trong phân tử. vào trạng thái đầu và trạng thái cuối chứ không phụ 17 - Năng lượng dự trữ của hạt nhân nguyên tử... 18 thuộc vào các trạng thái trung gian. 1.3 NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC 1.3 NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC 1.3.2. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC 1.3.3. ÁP DỤNG NGUYÊN LÝ I Phát biểu: Biến thiên nội năng của hệ bằng lượng a. Quá trình đẳng tích: (V = const hay dV = 0) nhiệt mà hệ nhận trừ đi công mà hệ sinh ra. Biểu thức toán học: DU = Q - A  Do quá trình là đẳng tích nên công thể tích không Trong đó: thực hiện được: A = 0 - Q và A là nhiệt và công trao đổi giữa hệ với môi trường  Theo nguyên lý I: QV = ΔU ngoài theo bất cứ đường quá trình nào để hệ đi từ trạng Vậy: nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đẳng thái đầu đến trạng thái cuối. tích bằng với biến thiên nội năng của hệ. 19 Ứng với quá trình nhỏ, ta có: dU = Q - A 20 5
1.3 NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC 1.3 NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC 1.3.3. ÁP DỤNG NGUYÊN LÝ I 1.3.3. ÁP DỤNG NGUYÊN LÝ I b. Quá trình đẳng áp: (P = const hay dP = 0) b. Quá trình đẳng áp: (P = const hay dP = 0)  Công thực hiện trong trường hợp này là: Ap = P.(V2-V1) = P.DV  Áp dụng cho khí lý tưởng: P.V = n.R.T  Nhiệt của quá trình: Qp = D(U + PV) = ΔH Ap = P.DV = Δ(nRT) (H = U + PV: hàm entanpy) Vậy: nhiệt hệ nhận được trong quá trình đẳng áp Qp = DUp + Δ(nRT) bằng biến thiên entanpy của hệ. 21 22 1.3 NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC LƯU Ý: 1.3.3. ÁP DỤNG NGUYÊN LÝ I c. Quá trình dãn nở đẳng nhiệt của khí lý tưởng:  Các giá trị thường gặp của R  Định luật Joule: “Nội năng của khí lý tưởng chỉ - R = 0,082 l.atm/mol.K - R = 1,987 cal/mol.K phụ thuộc vào nhiệt độ”, từ đó có thể suy ra: “Biến - R = 8,314 J/mol.K thiên nội năng của quá trình đẳng nhiệt: ΔUT = 0” Các đơn vị của P:  Nhiệt năng và công của quá trình: - 1 atm  760 mmHg  14,969 psi V2 - 1 bar = 105 Pa (N/ m2)  750 mmHg  14,503 psi nRT V P QT  A T   V .dV  nRTln 2  nRTln 1 V P - 1 at  735,5 mmHg 23 V1 1 2 24 6
LƯU Ý: Ví dụ 1: Áp dụng cho khí lý tưởng: Cho 100g khí CO2 (được xem như là khí lý P1 T1  Quá trình đẳng tích (V=const): = P2 T2 tưởng) ở 00C và 1 atm. Xác định Q, A, ΔU trong V1 T1 Quá trình đẳng áp (P=const): = quá trình dãn nở đẳng nhiệt tới thể tích 0,2 m3. V2 T2 P1 V2 Quá trình đẳng nhiệt (T=const): = P2 V1 25 26 1.4 NHIỆT DUNG Ví dụ 2 1.4.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM Nhiệt dung là lượng nhiệt cần thiết để đưa nhiệt độ Tính biết thiên nội năng khi làm bay hơi 1000g 1 lượng chất tăng lên 1 độ. Phân loại: nước ở 373K, dưới áp suất không đổi 1 atm. - Nhiệt dung riêng là nhiệt dung tính cho 1 gam chất. - Nhiệt dung phân tử là nhiệt dung tính cho 1 mol Nhiệt hóa hơi của nước ở nhiệt độ này bằng chất. 2109,2 kJ/kg. - Nhiệt dung trung bình là nhiệt dung trong một khoảng nhiệt độ nào đó, nó có giá trị khác nhau trong khoảng nhiệt độ khác nhau. Q Q C  27 28 (T2  T1 ) ΔT Ký hiệu 7
1.4 NHIỆT DUNG 1.4 NHIỆT DUNG 1.4.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.4.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI NHIỆT DUNG Nhiệt dung thực: là nhiệt dung tại một nhiệt độ xác định. a. Bản chất của các chất Ký hiệu: Q Đơn vị: cal(J)/ K Đối với khí đơn nguyên tử: C V  R 3 c 2 dT 5 Đối với khí hai nguyên tử: CV  R Q V  U  2  Nhiệt dung đẳng tích: CV    7 dT  T  V Đối với khí lớn hơn 2 nguyên tử: C V  R 2 QP  H   Nhiệt dung đẳng áp: CP    dT  T P Đối với chất rắn và chất lỏng, phải tính theo thực nghiệm:  Mối quan hệ: Cp = Cv + R hay Cp – Cv = R CP   Cini 29 30 1.4 NHIỆT DUNG 1.4.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI NHIỆT DUNG Ví dụ 3 b. Phụ thuộc vào nhiệt độ Cho 100g khí nitơ ở điều kiện chuẩn (1atm, Sự phụ thuộc vào nhiệt độ thường được biểu 250C). Tính giá trị của các đại lượng Q, A và DU diễn bằng các hàm số là: Cp = a0 + a1T + a2T2 trong các quá trình sau: Hoặc: Cp = a0 + a1T + a-2T-2  Nén đẳng tích tới 1,5 atm. (cv = 6,96 cal.mol-1.K-1) Trong đó: Cp là nhiệt dung thực đẳng áp (cal.mol-1.K-1)  Giãn nở đẳng áp tới thể tích gấp đôi thể tích ban a0, a1, a2, a-2 là các hằng số thực nghiệm phụ đầu. (cp = 5 cal.mol-1.K-1) 31 thuộc bản chất các chất và khoảng nhiệt độ. 32 8
1.5 ĐỊNH LUẬT HESS 1.5 ĐỊNH LUẬT HESS 1.5.1. HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG 1.5.1. HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG a. Khái niệm b. Hiệu ứng nhiệt đẳng áp và đẳng tích : là hiệu ứng Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học là nhiệt lượng nhiệt xảy ra trong điều kiện đẳng áp hoặc đẳng tích, ký trao đổi với môi trường khi phản ứng xảy ra trong điều hiệu tương ứng là DH và DU (cal/ mol hoặc J/ mol). kiện nhiệt độ của chất đầu và chất cuối bằng nhau.  DH0298 ,DU0298 : hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn (25oC, 1 atm)  Phản ứng thu nhiệt: DH và DU > 0  Phương trình nhiệt hóa học là phương trình phản ứng Dn: biến thiên  Phản ứng tỏa nhiệt: DH và DU < 0 hóa học có ghi đầy đủ trạng thái vật lý của các chất và số mol khí của 33 hiệu ứng nhiệt của phản ứng. 34Mối quan hệ: DH = DU + Dn.RT phản ứng 1.5 ĐỊNH LUẬT HESS 1.5 ĐỊNH LUẬT HESS 1.5.2. CÁC LOẠI HIỆU ỨNG NHIỆT 1.5.2. CÁC LOẠI HIỆU ỨNG NHIỆT  Nhiệt tạo thành của 1 chất là hiệu ứng nhiệt của  Nhiệt đốt cháy của 1 chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất từ các đơn chất ở phản ứng đốt cháy 1 mol chất đó bằng O2 để tạo dạng bền vững nhiệt động ở điều kiện tiêu chuẩn. thành sản phẩm đốt cháy ở điều kiện tiêu chuẩn. Ký hiệu: DH0298,tt (kcal/mol hoặc kJ/mol) Ký hiệu: DH0298,đc (kcal/mol hoặc kJ/mol) Lưu ý: Nhiệt tạo thành của các đơn chất bằng 0. Lưu ý: Nhiệt cháy của các chất không cháy bằng 0. 35 36 9
1.5 ĐỊNH LUẬT HESS 1.5 ĐỊNH LUẬT HESS 1.5.2. CÁC LOẠI HIỆU ỨNG NHIỆT 1.5.2. CÁC LOẠI HIỆU ỨNG NHIỆT  Nhiệt chuyển pha của 1 chất là hiệu ứng nhiệt Nhiệt hòa tan: của quá trình chuyển 1 mol chất đã cho từ trạng  Quá trình hòa tan thường thu nhiệt hay tỏa nhiệt. thái này sang trạng thái khác hay từ pha này sang  Nhiệt hòa tan toàn phần (nhiệt hòa tan tích phân) là nhiệt pha khác. hòa tan 1 mol chất trong 1 lượng dung môi xác định. Ký hiệu:  (kcal/mol hoặc kJ/mol)  Nhiệt hòa tan vô cùng loãng.  Nhiệt hòa tan vi phân (nhiệt hòa tan riêng). 37 38 1.5 ĐỊNH LUẬT HESS 1.5 ĐỊNH LUẬT HESS 1.5.3. NỘI DUNG ĐỊNH LUẬT 1.5.4. HỆ QUẢ CỦA ĐỊNH LUẬT HESS Trong quá trình đẳng áp hoặc đẳng tích, hiệu Hệ quả 1: Nhiệt phản ứng nghịch bằng nhưng trái ứng của nhiệt phản ứng phụ thuộc vào trạng thái dấu với nhiệt của phản ứng thuận: đầu và trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào các ΔHnghịch = - ΔHthuận trạng thái trung gian Hệ quả 2: Nhiệt phản ứng bằng nhiệt tạo thành DH1 của các chất sản phẩm trừ đi nhiệt tạo thành của DH2 các chất tham gia quá trình: (có kèm theo hệ số tỷ Chất phản ứng Sản phẩm lượng của các chất ghi trong phương trình phản ứng đã cân bằng) ΔH pu   ΔH tt,sanpham   ΔΗ tt, thamgia DH3 39 DH1 = DH2 = DH3 40 10
1.5 ĐỊNH LUẬT HESS 1.5 ĐỊNH LUẬT HESS 1.5.4. HỆ QUẢ CỦA ĐỊNH LUẬT HESS 1.5.5. MỞ RỘNG ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT HESS Hệ quả 3: Nhiệt phản ứng bằng tổng nhiệt cháy  Tính nhiệt hòa tan và nhiệt pha loãng Chất tan của các chất tham gia quá trình trừ đi tổng nhiệt DHht1 DHht2 cháy của các chất tạo thành: (có kèm theo hệ số tỷ + dm + dm DHpha loãng lượng của các chất ghi trong phương trình phản Dung dịch C1 + dm Dung dịch C2 ứng đã cân bằng) Ta có: DHpha loãng = DHht2 - DHht1 ΔH pu   ΔΗ đc,thamgia   ΔH đc,sanpham 41 42 1.5 ĐỊNH LUẬT HESS 1.6 ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF 1.5.5. MỞ RỘNG ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT HESS  Năng lượng liên kết : năng lượng tối thiểu để  Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hiệu ứng nhiệt phá vỡ liên kết. được biểu diễn bằng định luật Kirchoff như sau: Chất đầu DHpư Sản phẩm ΔH ΔU  ΔC P  ΔC V SElk đầu SElk cuối T T ΔH : gọi là hệ số nhiệt độ hiệu ứng nhiệt đẳng áp. Các nguyên tử tự do T ΔU 43 DHpư = SElkđầu - SElk cuối 44 T : gọi là hệ số nhiệt độ hiệu ứng nhiệt đẳng tích. 11
1.6 ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF 1.6 ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF ỨNG DỤNG ỨNG DỤNG Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu ứng nhiệt:  Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau: dDH T2 Nếu: ΔC P  0   0: Hiệu ứng nhiệt tăng theo DH T2  DH T1   DCp dT  dT nhiệt độ và ngược lại. T1 dDH  Nếu: ΔC P  0  0 Hiệu ứng nhiệt không thay Người ta thường lấy T1 = 298oK : dT đổi theo nhiệt độ. T  Nếu: ΔC P  0  dDH  0 :Hiệu ứng nhiệt giảm khi nhiệt ΔHT  ΔH298   ΔCPdT dT 298 45 độ tăng và ngược lại. 46 Bài tập 1: Bài tập 2: 1. Nhiệt tạo thành của H2O(l) và của CO2 lần lượt là 2. Tính nhiệt của phản ứng: H2(k) + S( r) + 2O2(k) + 5H2O(l) = H2SO4.5H2O(dd). Cho biết nhiệt sinh của H2SO4(l) là - -285,8 và -393,5 kJ/mol ở 250C, 1 atm. Cũng ở điều 193,75 kcal/mol, nhiệt hòa tan của H2SO4(l) với 5 mol kiện này nhiệt đốt cháy của CH4 bằng -890,3 kJ/mol. nước là -13,6 kcal. Tính nhiệt tạo thành của CH4 từ các nguyên tố ở điều Pha loãng dung dịch trên để được dung dịch H2SO4.20H2O. kiện đẳng áp và đẳng tích. Tính nhiệt pha loãng biết phản ứng: H2SO4(l) + 20H2O = H2SO4.20H2O có hiệu ứng nhiệt là -17,2 kcal. 47 48 12