Химическая термодинамика

Федеральное агентство по образованию

Пензенский государственный педагогический университет им. В.Г. Белинского

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Химическая термодинамика

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение

Глава 1. Первый закон термодинамики

1.1 Вопросы  и задания

1.2 Примеры

1.3 Задачи

Глава 2. Приложение первого закона термодинамики к химии. Термохимия

2.1 Вопросы  и задания

2.2 Примеры

2.3 Задачи

Глава 3. Второй закон термодинамики. Энтропия

3.1 Вопросы  и задания

3.2 Примеры

3.3 Задачи

Глава 4. Термодинамические потенциалы

4.1 Примеры

4.2 Задачи

Литература

 

 

Введение

 

Физическая химия – наука, которая изучает общие закономерности физических процессов и является теоретической основой всей химической науки и технологии химических производств. Наиболее важным и в то же время одним из самых сложных разделов физической химии является химическая термодинамика. В данной курсовой работе приведен перечень вопросов и задач по химической термодинамике. Эти задачи носят комплексный характер и позволяют ученикам подготовиться к химическим олимпиадам. Целью настоящей работы явился подбор заданий по химической термодинамике, адаптация их к требованиям химических олимпиад для школьников, а так же разработка методики их решения с учетом межпредметных связей с математикой и физикой.

Решение задач дает возможность применить теоретические знания на практике, расширить, углубить и систематизировать их, стимулируют мыслительную деятельность учеников, развивают последовательность в действиях, логику.

 

 

Глава 1. Первый закон термодинамики

 

1. Вопросы и упражнения

 

1. Что такое термодинамика и какие явления она изучает?
2. Приведите несколько формулировок первого закона термодинамики и покажите, что они не противоречат друг другу. Почему первый закон термодинамики называют первым началом?
3. Что такое система? Какие ее виды различают?
4. Дайте определение и приведите примеры термодинамических процессов: изотермического, изобарического, изохорического и адиабатического.
5. Что такое внутренняя энергия системы и из чего она слагается?
6. Дайте определение идеального газа. Что собой представляет внутренняя энергия идеального газа?
7. Почему термодинамика рассматривает не абсолютное значение внутренней энергии, а только ее изменение?
8. Что такое энтальпия и какова ее связь с внутренней энергией? Почему для конденсированных систем разница между энтальпией и внутренней энергией мала, а для систем газообразных значительна?
9. Перечислите способы передачи энергии от одной системы к другой.
10. Что такое теплота и работа?
11. Дайте определение теплоемкости удельной, атомной, молярной (мольной)? Какая связь существует между мольными теплоемкостями при постоянном давлении и постоянном объеме?
12. Работа определяется двумя величинами: фактором интенсивности и фактором емкости (экстенсивности). Что будут представлять собой эти факторы при совершении механической работы, электрической и работы по расширению газов?
13. Что такое максимальная работа расширения идеального газа? Почему газ, расширяясь в вакууме, работы не совершает?
14. Напишите уравнения, выражающие максимальную работу расширения идеального газа при изотермическом, изобарическом, изохорическом и адиабатическом процессах.
15. Дайте определение обратимым и необратимым термодинамическим процессам. Приведите примеры. Можно ли реальные природные процессы считать полностью обратимыми?

 

1.2 Примеры

 

Пример 1-1

Газ расширяясь от 10 до 16 л при постоянном давлении 101,3*103 н/м2, поглощает 126 Дж теплоты. Определите изменение внутренней энергии газа.

Решение:

 

p1 = p2 = 101,3*103 Па, V1 = 10 л = 1*10-2 м3 ,

V2 =16 л = 16*10-3 м3,

Qp = 126 Дж.

 

Согласно первому закону термодинамики

 

DU = Qp – W.

 

Работа, совершенная газом при изобарическом расширении, может быть вычислена по уравнению

 

W= p (V2–V1);

 

Отсюда

DU = Qp - p (V2–V1);

DU = 126 - 101,3*103 (1* 10-2 – 16*10-3) = 481,8Дж

Ответ: 481,8Дж

 

Пример 1-2

Рассчитайте работу изотермического (27°С) расширения 1 моль углекислого газа от 2,24 до 22,4 л.

Решение:

 

n = 1 моль, V1 = 2,24л = 2,24*10-3 м3 , V2 = 22,4*10-3 м3 ,

Т = 27°С = 300 K.

 

Работа изотермического расширения системы может быть вычислена по уравнению:

 

W = nRT *2,3 lg(V2 /V1);

W = 1*8,314*300*2,3 lg (22,4*10-3 / 2,24*10-3) = 5736,66 Дж

Ответ: 5736,66 Дж

 

Пример 1-3

При 273 К и 1,0133*105 Па нагревают 5*10-3 м3 криптона до873 К при постоянном объеме. Определите конечное давление газа и теплоту, затраченную на нагревание.

Решение:

 

V = 5*10-3 м3, T1 = 273 К, Т2 = 873 К, р1 = 1,0133*105 Па.

 

Теплоту, затраченную на нагревание можно найти по формуле:

 

Qv = nCv(T2 – T1).

 

Количество криптона вычисляется из уравнения состояния идеального газа:

pV = nRT; n = p1V/RT1;

n = 1,0133*105 * 5*10-3 /8,314*273 = 0,223 моль.

 

Для одноатомных газов Сv = 3/2R ;

 

Qv = 0,223*3/2*8,314(873 – 273) = 1668,620 Дж

 

Конечное давление при постоянном объеме и известной температуре можно найти по закону Шарля:

 

p1/T1 = p2/T2;

p2 = p1T2/ T1;

p2 = 1,0133*105*873/273 = 3,2403*105 Па

Ответ: Qv = 1668,620 Дж, p2= 3,2403*105 Па

 

Пример 1-4

Один моль одноатомного газа, взятого при 25°С и давлении 1,013*105 Па, адиабатически расширился до 0,05 м3. Каковы будут конечные давление и температура?

Решение:

 

T1 = 25°С = 298 K, P1 = 1,013*105 Па, V2 = 0,05 м3.

 

Исходный объем газа (n = 1):

 

V1 = nRT1/р1 = 1*8,314*298/1,013*105 = 2,445*10-2 м3.

Конечные давление и температуру можно найти из уравнения адиабаты (g = Ср/Сv для одноатомных газов близко к 5/3):

 

р1V15/3 = р2V25/3,

р2 = р1(V1/ V2 )5/3, р2 = 1,013*105*(2,445*10-2/5,000*10-2)5/3 Па = 0,3*105 Па

Т1V1g-1 = Т2V2g-1, Т2 = Т1 (V1/ V2)g-1,

Т2 = 298*(2,445*10-2/5,000*10-2)5/3 – 1К = 183 К

Ответ: р2 =0,3*105 Па, Т2 = 183 К.

 

1.3 Задачи

 

1. Путем нагревания при постоянном давлении в 1,013*105 Па газу сообщено 2093, 4 Дж теплоты. Определите работу, совершенную газом, и изменение внутренней энергии данного газа, если он при этом расширился от 1 до 2 л.
2. Один моль дифторметана (идеальный газ), взятый при 0°С и 1 атм, нагрет при постоянном давлении до утроения объема. Рассчитайте изменение энтальпии и внутренней энергии в этом процессе, если зависимость теплоемкость дифторметана от температуры имеет вид:

 

Ср = 20,26 + 7,59*10-2*Т(Дж моль-1К-1)

(∆H = 33,7 кДж; ∆U = 29,1 кДж)

 

3. Определите изменение внутренней энергии при изобарическом (1,013*105 н/м2) испарении 100 г воды при 150°С, если объемом жидкой воды пренебречь. Теплота испарения воды при 150°С равна 2112,66 Дж/г.
4. Азот (5 моль) при 100°С занимал объем 0,025 м3. При нагревании газа до 200°С было затрачено 14650 Дж. Определите Ср и конечный объем, если давление газа при этом не изменилось.
5. Определите работу, совершаемую азотом при изотермическом (20°С) расширении его от 0, 015 до 0,1 м3, если начальное давление составляло 3,039*105 Па. Каково будет конечное давление?

 

(W = 657 Дж, р2 = 45600 н/м2)

 

6. При 298 К одноатомный газ в идеальном состоянии изотермически и обратимо расширяется от 1,5*103м3 до 10*103 м3, при этом поглощается 966*103 Дж теплоты. Рассчитайте число молей газа, участвующего в процессе.(205,51)
7. Один моль идеального газа, взятого при 25°С и 100 атм, расширяется обратимо и изотермически до 5 атм. Рассчитайте работу, поглощенную теплоту, изменение внутренней энергии и энтальпии в этом процессе.
8. Сколько нужно затратить теплоты, чтобы изохорически нагреть 25 г кислорода от 0 до 50°С? (811,85 Дж)
9. Какое количество теплоты необходимо для изохорического нагревания 50 г углекислого газа в интервале температур от 300 до 400°С, если Cv = 40,2 Дж/моль? (4,56 кДж)
10. В резервуаре вместимостью 5*10-2 м3 при 200 К и 0,5*105 Па содержится азот. Определите теплоту, которую необходимо передать газу, чтобы его давление стало равным 2*105 Па. Считать азот в указанных условиях идеальным газом. (18,7498 кДж)
11. Один моль ксенона, находящийся при 25°С и 2 атм, расширяется адиабатически: а) обратно до 1 атм, б) против давления 1 атм. Какой будет конечная температура в каждом случае? ( а)225 К, б)238 К)
12. Определите работу адиабатического обратимого расширения 3 моль аргона от 0,05 до 0,50 м3. Начальная температура газа 298 К. (8,745*105Дж)
13. При 298 К 1*10-2 кг кислорода сжимается адиабатически от 8*10-3 до 5*10-3 м3. Определите конечную температуру, работу процесса сжатия, изменение внутренней энергии и изменение энтальпии, если Сv = 5/2R. (359, 637 К; -400,37 Дж; 400,34 Дж; 1,335 кДж)
14. Один моль фтороуглерода расширяется обратимо и адиабатически вдвое по объему, при этом температура падает от 298,15 до 248,44К. Чему равно значение СV?(31,6 Дж*моль-1*К-1)

 

Глава 2. Приложение первого закона термодинамики к химии. Термохимия

 

2.1 Вопросы и задания

 

1. Что называется тепловым эффектом химической реакции?
2. Сформулируйте закон Гесса и следствия, вытекающие из него. Каково значение данного закона?
3. Объясните, почему закон Гесса есть частный случай первого закона термодинамики?
4. Применяя математическое выражение первого закона термодинамики, покажите, что тепловой эффект при постоянном давлении есть изменение энтальпии, а тепловой эффект при постоянном объеме – изменение внутренней энергии химической реакции.
5. Какие химические реакции называются экзотермическими и эндотермическими? Приведите примеры.
6. Почему для конденсированных систем разница между изменением энтропии и изменением внутренней энергии мала, а для газообразных значительна? Напишите уравнение, выражающее связь между тепловым эффектом при постоянном давлении и тепловым эффектом при постоянном объеме.
7. Дайте определение понятиям: «теплота образования», «теплота разложения», «теплота растворения», «теплота сгорания», «теплота нейтрализации».
8. Почему при определении теплот растворения на 1 моль различных растворенных веществ берется различное количество молей растворителя?
9. Сформулируйте закономерности, установленные для теплот образования химических соединений.
10. Чем объяснить постоянство теплот нейтрализации сильной кислоты сильным основанием?
11. Одинаковый ли тепловой эффект будет при: а)нейтрализации серной кислоты едким натром, б) нейтрализации серной кислоты раствором аммиака? Дайте объяснение.
12. Будет ли наблюдаться выделение или поглощение теплоты при сливании разбавленных растворов: а) хлорида калия и бромида натрия, б) хлорида калия и нитрата серебра, в) сульфата натрия и нитрата свинца, г) хлорида кальция и нитрата натрия?
13. Как зависит тепловой эффект химической реакции от температуры? Напишите математическое выражение закона Кирхгофа. В каких случаях тепловой эффект химической реакции не зависит от температуры? Почему?

 

2.2 Примеры

 

Пример 2-1

Количество теплоты, выделенной при горении в стандартных условиях 2 г водорода в кислороде с образованием жидкой воды, равно 286 кДж. Чему равен тепловой эффект реакции при постоянном объеме?

Решение:

Находим количество водорода: n = m/М, n = 2/2 моль = 1 моль

Записываем уравнение реакции:

 

Н2(г) + 0,5О2(г) = Н2О(ж), DН = -286 кДж, Т = 298 К

 

Тепловой эффект при постоянном объеме характеризуется изменением внутренней энергии (Qv = DU). DU в данной реакции можно рассчитать следующим образом:

 

DU = DН – рDV = DН - DnRT,

DU = -286*103 -(-3)*8,314*298 Дж = 278567 Дж

Ответ: 278,567*103 кДж

 

Пример 2-2

Рассчитайте энтальпию образования сульфата цинка из простых веществ при Т = 298 К на основании следующих данных:

 

ZnS = Zn + S, DН10 = 200,5 кДж моль-1,

2ZnS + 3О2 = 2ZnO + 2SO2, DН20 = -893,5 кДж моль-1,

2SO2 + О2 = 2SO3, DН30 = -198,2 кДж моль-1,

ZnSO4 = ZnO + SO3, DН40 = 235,0 кДж моль-1.

 

Решение:

Закон Гесса позволяет обращаться с термохимическими уравнениями как с алгебраическими

Множитель

 

ZnS = Zn + S, DН10=200,5 кДж моль-1 -1

2ZnS+3О2=2ZnO+2SO2, DН20=-893,5кДж моль-1 0,5

2SO2 + О2 = 2SO3, DН30=-198,2кДж моль-1 0,5

ZnSO4 = ZnO + SO3, DН40=235,0кДж моль-1 –1

Zn + S + ZnS + 1,5О2 + SO2 + 0,5О2 + ZnO + SO3 = ZnS + ZnO + + SO2 + SO3 + ZnSO4 Þ Zn + S + 2О2 = ZnSO4

DНf0(ZnSO4) = -1DН10 + 0,5DН20 + 0,5DН30 - 1DН40,

DНf0(ZnSO4)=-200,5+0,5(-893,5)+0,5(-198,2)–235,0 =

= 981,35кДж  моль-1

Ответ: 981,35 кДж моль-1

 

Пример 2-3

 

Пользуясь справочными данными, рассчитайте энтальпию реакции:

 

3Сu(ТВ)+8H(NO3)2(aq)=3Сu(NO3)2(aq)+2NO(г)+4H2O(ж) при 298 К.

 

Решение:

Сокращенное ионное уравнение реакции имеет вид:

 

3Cu(ТВ)+8H+(aq)+2NO3ˉ(aq)=3Сu2+(aq)+2NO(г)+4Н2О(ж),

 

по закону Гесса, энтальпия реакции равна:

 

DrН0=4DfН0(Н2О(ж))+2DfН0(NO(г))+3DfН0(Сu2+(aq))-2DfН0(NO3ˉ(aq))

 

(энтальпии  образования меди и иона Н+ равны, по определению, нулю).

Подставляя значения энтальпии образования из справочника находим:

 

DrН0=(4(-285,8)+2·90,25+3·64,77–2(-205,0))кДж=-358,4кДж,

(в расчете на три моля меди).

Ответ: -358,4 кДж

 

Пример 2-4

Рассчитайте энтальпию сгорания метана при 1000 К, если даны энтальпии образования при 298 К:

 

DfH°(СН4) = -17,9 ккал/моль,

DfH°(СО2) = -94,1 ккал/моль,

DfH°(Н2О) = -57,8 ккал/моль.

Теплоемкости газов (в кал*моль-1*К-1) в интервале от 298 до 1000 К равны: