zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

Bài giảng Hoá học trong kỹ thuật và khoa học môi trường: Chương 3 - TS. Võ Nguyễn Xuân Quế

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:19

Báo xấu

8
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Hoá học trong kỹ thuật và khoa học môi trường: Chương 3 Nhiệt động học và cân bằng hóa học, cung cấp cho người học những kiến thức như Ôn tập các khái niệm cơ bản, hàm trạng thái và các định luật nhiệt động lực học; Ứng dụng lý thuyết nhiệt động học để xác định điều kiện cân bằng cho các quá trình hóa học.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hoá học trong kỹ thuật và khoa học môi trường: Chương 3 - TS. Võ Nguyễn Xuân Quế

CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC TS. Võ Nguyễn Xuân Quế
NỘI DUNG 1. Ôn tập các khái niệm cơ bản, hàm trạng thái và các định luật nhiệt động lực học 2. Ứng dụng lý thuyết nhiệt động học để xác định điều kiện cân bằng cho các quá trình hóa học 3. Ví dụ minh họa
KHÁI NIỆM  Nhiệt động lực học giúp cung cấp các thông tin chính: 1. Khả năng phản ứng tự xảy ra hay không: phản ứng có thể tự xảy ra trong điều kiện cụ thể (không cần năng lượng đầu vào) 2. Thành phần của một hệ phản ứng ở trạng thái cân bằng  Hệ - Pha 1. Hệ kín; Hệ mở; Hệ cô lập; Hệ đoạn nhiệt 2. Hệ đồng thể; Hệ dị thể  Định luật nhiệt động giúp dự đoán được thành phần của các hệ kín, hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt. Riêng đối với hệ mở (có trao đổi vật chất), cần thêm thông tin về tốc độ dòng vật chất vào/ra và tốc độ các phản ứng trong hệ.
KHÁI NIỆM  Một hệ mở được xem như hệ đóng nếu tốc độ trao đổi vật chất với môi trường chậm so với tốc độ phản ứng hóa học đang diễn ra hướng đến trạng thái cân bằng trong hệ .  Hệ các phản ứng axit-bazơ vô cơ trong nước tự nhiên có thể được xem là một hệ kín, với trạng thái cân bằng được dự đoán bằng các định luật nhiệt động học.  Hệ phản ứng của các hợp chất hữu cơ phân hủy chậm (PCBs) trong nước tự nhiên không được xem là một hệ kín.  Do đó, các nguyên lý nhiệt động lực học không được áp dụng cho tổng thể các lưu vực tự nhiên, nhưng chúng được áp dụng cho các thành phần hóa học riêng trogn nước đáp ứng giả thiết liên quan đến hệ kín theo nguyên lý nhiệt động học.  Trạng thái ổn định theo thời gian của hệ:  Hệ kín – trạng thái cân bằng (equilibrium state) – định nghĩa nhiệt động học  Hệ mở - trạng thái ổn định (steady state) – định nghĩa động học
KHÁI NIỆM Thông số nhiệt động và hàm trạng thái  Các loại thông số để định nghĩa tính chất cân bằng của một hệ:  Thông số nhiệt động (fundamental variables)  Hàm trạng thái (thermodynamic functions of state)  Có 2 loại thông số nhiệt động:  Thông số phụ thuộc vào kích thước/số lượng chất (intensive properties): thể tích (V), số mol (n)  Thông số không phụ thuộc vào kích thước/số lượng chất (extensive properties): nhiệt độ (T), áp suất (P)  Hàm trạng thái của một hệ là đại lượng mà biến thiên của nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ, mà không phụ thuộc vào quá trình biến đổi của hệ. VD: năng lượng  Các hàm trạng thái của hệ phản ứng (extensive properties): nội năng (E), enthalpy (H), entropy (S), năng lượng tự do Gibbs (G)
KHÁI NIỆM 1. Trạng thái của một hệ được cho là xác định khi mỗi thông số nhiệt động (tính chất nhiệt động) của nó có một giá trị xác định. 2. Quá trình nhiệt động là mọi biến đổi xảy ra dẫn đến sự thay đổi trạng thái của hệ. Bằng cách theo dõi dòng năng lượng đi vào và ra khỏi hệ, chúng ta có thể giám sát các quá trình. 3. Quá trình đoạn nhiệt xảy ra khi ranh giới giữa một hệ và môi trường xung quanh nó là một môi trường cách nhiệt hoàn toàn để không có sự truyền nhiệt xảy ra. 4. Quá trình đẳng nhiệt xảy ra khi sự truyền nhiệt giữa một hệ và môi trường xung quanh nó vẫn đảm bảo sao cho nhiệt độ của hệ không thay đổi. 5. Quá trình tuần hoàn sẽ làm cho một hệ quay về trạng thái ban đầu của nó.
KHÁI NIỆM 6. Quá trình thuận nghịch làm cho trạng thái cân bằng của hệ luôn được duy trì ở mọi bước của quá trình. 7. Quá trình không thuận nghịch không duy trì trạng thái cân bằng của hệ ở mọi bước biến đổi. VD: tất cả các quá trình tự xảy ra tự nhiên đều không thuận nghịch. 8. Nhiệt lượng mà một hệ nhận từ môi trường xung quanh, ký hiệu q >0; nhiệt lượng mà một hệ giải phòng vào môi trường xung quanh, ký hiệu q
KHÁI NIỆM Năng lượng  Năng lượng là thước đo chung cho mọi dạng chuyển động của vật chất 1. Động năng: là dạng năng lượng đặc trưng cho một vật đang chuyển động (= mv2/2) 2. Thế năng: là dạng năng lượng mà hệ có do vị trí của nó trong trường lực (= mgh) 3. Điện năng: là năng lượng chuyển động của các phần tử tích điện (electron, ion,…) 4. Hóa năng: là năng lượng gắn liền với quá trình biến đổi chất
KHÁI NIỆM Năng lượng Động năng Ngoại năng Thế năng Năng lượng toàn phần Điện năng Nội năng Hóa năng
KHÁI NIỆM Năng lượng  Năng lượng vũ trụ là không đổi; Nếu năng lượng của một hệ nào đó giảm thì năng lượng môi trường xung quanh nó phải tăng một lượng tương ứng.  Khi một dạng năng lượng nào đó chuyển thành dạng khác thì phải tuân theo một quan hệ định lượng nghiêm ngặt.  Năng lượng không tự nhiên sinh ra cũng không tự nhiên mất Công đi, nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc từ vật này sang vật khác. Nhiệt Năng lượng
ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG HỌC Định luật 1 – Định luật bảo tồn năng lượng 1. Nhiệt và công là những đại lượng có thể chuyển đổi qua lại. 2. Tổng công sinh ra trong một quá trình đoạn nhiệt chỉ phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và trạng thái cuối chứ không phụ thuộc vào quá trình biến đổi trạng thái (một hàm của trạng thái). 3. Công này được biểu thị bằng sự thay đổi của nội năng E, cũng là một hàm của trạng thái: E = f (P, V) = f ’(T, P) dE = dq - dw Trong đó, q = nhiệt lượng mà hệ nhận được từ môi trường w = công do hệ sinh ra 4. Do đó, nội năng, E, là tổng đại số của nhiệt và công
ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG HỌC Định luật 2  Entropy = thay đổi  Xét quá trình biến đổi A  B: 1. Nếu SB ≥ SA, thì quá trình có thể xảy ra trong điều kiện đoạn nhiệt. 2. Nếu SB ≤ SA, thì quá trình không thể xảy ra trong điều kiện đoạn nhiệt, nhưng nó có thể xảy ra trong điều kiện không đoạn nhiệt (có sự thay đổi nhiệt lượng của hệ).  Phần nhiệt lượng không thể chuyển hóa thành công là qrev/T, cũng là một hàm trạng thái. Định nghĩa đại lượng biến thiên entropy được : dS (J/mol.K)= dqrev/T Trong đó, dqrev = phần thay đổi của nhiệt lượng mà hệ nhận được khi quá trình thuận nghịch xảy ra T = nhiệt độ tuyệt đối  Entropy của một hệ kín chỉ có thể tăng lên hoặc không đổi.
ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG HỌC Định luật 2  Trong tự nhiên, biến thiên entropy bất kỳ của hệ luôn lớn hơn hoặc bằng nhiệt lượng trao đổi chia cho nhiệt độ tuyệt đối. ∆𝑄 ∆𝑆 ≥ Dấu > ứng với quá trình bất thuận nghịch 𝑇 Dấu = ứng với quá trình thuận nghịch  Tất cả các quá trình trong tự nhiên đều bất thuận nghịch S > Q/T; nếu là quá trình đoạn nhiệt không thuận nghịch S > 0  Entropy tiêu chuẩn:  Điều kiện: 1 mol; 298 oK; 1 atm Ký hiệu: S0298  Cùng một chất: S(hơi) > S (lỏng) >S(rắn)  Cùng một chất: T tăng  S tăng; P tăng  S giảm  Pha rắn: S (vô định hình) > S (tinh thể)
ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG HỌC Định luật 3  Entropi của một chất rắn cấu trúc tinh thể tinh khiết bằng 0 ở 0oK.  Định luật này cho phép tính toán entropi tuyệt đối của một chất ở các nhiệt độ khác nhau.
CÁC HÀM NHIỆT ĐỘNG KHÁC  Một số hàm nhiệt động lực học khác áp dụng đối với hệ kín ở trạng thái cân bằng, được xác định theo T, E, S, và các biến cơ bản như P và V: 1. Enthalpy: H = E + PV 2. Năng lượng tự do Helmholtz: F = E - TS 3. Năng lượng tự do Gibbs: G = H − TS = F + PV  Ở trạng thái cân bằng: 1. S = G = F = 0; S đạt nhỏ nhất với E và T xác định; F đạt nhỏ nhất với T và V xác định; G đạt nhỏ nhất với T và P xác định. 2. Năng lượng tự do Helmholtz được sử dụng để mô tả các trạng thái cân bằng trong các hệ có thể tích không đổi nhưng áp suất thay đổi. 3. Năng lượng tự do Gibbs được sử dụng để mô tả các trạng thái cân bằng trong các hệ có áp suất không đổi nhưng thể tích thay đổi. 4. Các quá trình xảy ra trong tự nhiên ở điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định, vì vậy, năng lượng tự do Gibbs được sử dụng rộng rãi nhất.
CÁC HÀM NHIỆT ĐỘNG KHÁC  Đối với các hệ thống có thành phần không đổi (nghĩa là không có sự thay đổi thành phần hóa học hoặc phát sinh các loại công khác): H = TS + VP E = TS − PV G = −ST + VP (*)  Phương trình (*) cho thấy ảnh hưởng của T và P đến trạng thái cân bằng của phản ứng hóa học.  Phương trình (*) cho thấy mối quan hệ giữa biến thiên năng lượng Gibbs và entropy trong hệ kín với thành phần không đổi (chỉ phát sinh công giản nở thể tích với áp suất không đổi – công áp suất-thể tích)
NĂNG LƯỢNG TỰ DO HÌNH THÀNH CHẤT  Ký hiệu: Gf0 (kJ/mol)  Năng lượng tự do của quá trình hình thành một mole chất ở trạng thái tiêu chuẩn (1 atm) từ các nguyên tố cấu tạo nên chất đó.  Giá trị của Gf0 đã được đo hoặc tính toán cho nhiều hợp chất và ion vô cơ và hữu cơ trong nước.  Quy ước: nguyên tố ở trạng thái bền có Gf0 = 0 VD: Gf0(H+) = 0; Hf0(H+) = 0  Năng lượng tự do ở điều kiện tiêu chuẩn của một phản ứng hóa học (lưu ý hệ số tỷ lượng):
NĂNG LƯỢNG TỰ DO PHẢN ỨNG Chiều phản ứng  Theo định luật nhiệt động 2, phản ứng hóa học tự xảy ra khi: G < 0 với G= H− TS  Hệ quả: 1. H0 thì phản ứng là tự xảy ra ở mọi nhiệt độ. 2. H>0 và S
NĂNG LƯỢNG TỰ DO PHẢN ỨNG Chiều phản ứng  Từ mối quan hệ giữa G và thế hóa học (theo G.N. Lewis): Hoặc  Với một phản ứng hóa học: aA + bB  cC + dD

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.