intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Bài giảng Nhiệt động hoá học: Chương 1 - Hồ Thị Cẩm Hoài

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

12
lượt xem
3
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Nhiệt động hoá học - Chương 1: Các đặc trưng của chất khí (Khí lý tưởng và khí thật), được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Định luật Boyle-Mariotte; Phương pháp xác định phân tử khối của khí hay chất lỏng dễ bay hơi; Hàm số phân phối vận tốc phân tử khí theo Maxwell Boltzmann;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Nhiệt động hoá học: Chương 1 - Hồ Thị Cẩm Hoài

  1. Hồ Thị Cẩm Hòai, PhD htchoai@hcmus.edu.vn
  2.  C I: Ôn lại về tóan học (tự học)  C II: Các đặc trưng của chất khí (Khí lý tưởng và khí thật)  C III: Thuyết động học của khí  C IV: Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học và áp dụng.  C V: Khái niệm về entropy.  C VI: Nguyên lý thứ hai và thứ ba của nhiệt động học.  C VII: Năng lượng khả dụng A. Năng lượng tự do G
  3. Chương I : Các đặc trưng của chất khí (Khí lý tưởng và khí thật) KHÍ LÝ TƯỞNG Không có trong thực tế (không thể hóa lỏng và rắn) Là khí mẫu, đơn giản hóa để tiện khảo sát (để áp dụng vào khí thật). Về phương diện cơ cấu, khí lý tưởng gồm những phân tử KHÔNG KÍCH THƯỚC và KHÔNG CÓ LỰC HÚT LIÊN PHÂN TỬ giữa các phân tử khí. Trong điều kiện thích hợp, người ta cho rằng khí lý tưởng luon nghiệm đúng các định luật thực nghiệm ở bất cứ điều kiện thực nghiệm nào.
  4. Định luật Boyle-Mariotte Ở nhiệt độ không đổi, thể tích V của một khối khí W xác định tỷ lệ nghịch với áp suất p pV = const hay pV = K với K = K(T,W) = K(T,n) Khi n = const, ứng với một nhiệt độ xác định, đường biểu diễn V theo p được gọi là đường đẳng nhiệt (isotherm) Chapter 12 4
  5.  Một cách biểu diễn khác của đl B-M là vẽ đường pV theo p ở T=const ứng với một khối khí W xác định. Lúc này ta có một đường thẳng ngang (Hình 2.2, tr26).  Với các khí thông thường, hệ thức này chỉ đúng trong trường hợp áp suất thấp (=< áp suất khí quyển) và ở nhiệt độ thường (không có biến đổi hóa học khi p thay đổi) 5
  6.  Dưới áp suất p không đổi, thể tích của một khối khí xác định là một hàm số bậc nhất của nhiệt độ. V = a + bt  Hay V = constant x (t + 273) = const x T (tại p = const) Hay p = constant x T (tại V = const) Vậy: Ở áp suất không đổi, thể tích V của một khối lượng khí xác định W tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.  Đồ thị là những đường đẳng áp (isobars)  -273 oC là nhiệt độ zero tuyệt đối hay 0 K 6
  7.  Ở cùng nhiệt độ và áp suất, những thể tích bằng nhau của khí cùng chứa một số phân tử. V = constant x n (tại p = const. và T = cons.t) 7
  8.  Kết hợp ba định luật thực nghiệm (Boyle, Charles-Gay Lussac và Avogadro) pV = constant p = constant x T V = constant x T V = constant x n Ta có: pV = constant x nT Đặt R là hằng số khí lý tưởng, ta được phương trình khí lý tưởng: pV = nRT Với R = 8.31447 J.mol-1.K-1 8.20574 x 10-2 dm3.atm.mol-1.K-1 8.31447 x 10-2 dm3.bar.mol-1.K-1 8.31447 m3.Pa.mol-1.K-1 162.364 dm3.Torr.mol-1.K-1 1.98721 cal.mol-1.K-1 8
  9.  Ví dụ: Trong một quá trình công nghiệp nitrogen được làm nóng tới 500 K trong một bình chứa thể tích không đổi. Biết áp suất và nhiệt độ đầu vào là 100 atm và 300 K, hỏi áp suất của khí đi ra là bao nhiêu, giả sử khí coi như lý tưởng. Giải: trong suốt quá trình n và V không đổi. Theo PT khí lý tưởng: p1T22= p2T11 Nên p22 = p1T22 / T11 = 100 atm x 500 K / 300 K = 167 atm Thực tế cho biết áp suất là 183 atm. Giải thích! (BT về nhà. Bài 1, Ch II, tr.46) 9
  10. 10
  11. Ví dụ: Một thể tích 125 mL khí A đo ở 0,6 atm và 150 mL khí B đo ở 0,8 atm được cho vào bình cầu 500 mL. Hỏi áp suất trong bình ở cùng nhiệt độ. Giả sử các khí coi như lý tưởng. Giải: Áp dụng đl Boyle để tính áp suât riêng phần pA, pB, ta có: pA x 500 mL = 0,6 atm x 125 mL => pA = 0,15 atm pB x 500 mL = 0,8 atm x 150 mL => pB = 0,24 atm Vậy : Áp suất tổng quát là pA + pB = 0,39 atm 11
  12. Phương pháp xác định phân tử khối của khí hay chất lỏng dễ bay hơi Tại áp suất thấp, các khí gần như lý tưởng. Xem một lượng khí W ở T và p xác định. Nếu khí lý tưởng, ta có: pV = nRT = (W / M) RT  M = (W / V) RT / p = ρ RT / p Với ρ : khối lượng riêng Hay: ρ / p = M / RT Xác định ρ / p tại nhiểu áp suất p, vẽ ρ / p theo p và ngoại suy ra trị số ρ / p ở p = 0 để có trị số M / RT và từ đó suy ra M (Hình 2.4 tr 34 sách NĐHH tập 1) 12
  13. Thuyết động học của khí (the kinetic model of gases) Thuyết động học của khí được xây dựng từ ba giả thuyết (assumption) căn bản: 1. Khí gồm các phân tử khối lượng m luôn chuyển động không ngừng. 2. Kích thước của các phân tử có thể bỏ qua (negligible), nghĩa là đường kính của chúng rất nhỏ so với khoảng cách dịch chuyển giữa các va chạm. 3. Các phân tử coi như không tương tác trừ khi xảy ra va cham đàn hồi* hoàn hảo với sự bảo toàn động lượng và năng lượng. * Va chạm đàn hồi là va chạm mà trong đó năng lượng di chuyển của phân tử được bảo tòan 13
  14. Áp suất trung bình và vận tốc Áp suất và thể tích của khí liên hệ theo biểu thức: 1 pV  nMc 2 Với M = mN và c = (v2)1/2 3 A (Chứng minh ở tr 49-50, C III, sách Nđhh tập 1) Áp suất của khí là do ảnh hưởng của các phân tử lên thành (vách) Vì c phụ thuộc nhiệt độ nên tại nhiệt độ không đổi, Ta có lại biểu thức pV = constant (đl Boyle) Ngòai ra, ta có biểu thức vận tốc sau: 1/2 => Vận tốc khuyếch tán của khí tỷ lệ nghịch với căn bậc hai c  3RT  của klptử M, tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối T(Cminh tr 52-    M  53. Công thức c này có đúng cho mọi khí??? Ví dụ: Tính vận tốc c của các phân tử khí CO2 ĐS: 411 m/s ( R = 1 kg.m2.s-2) 14
  15. Hàm số phân phối vận tốc phân tử khí theo Maxwell Boltzmann Thực chất các phân tử khí thật có vận tốc khác nhau. Tuy nhiên khi xét một tập hợp nhiều phân tử , sự phân bố vận tốc của tập hợp này không ngẫu nhiên mà theo quy luật thống kê nhất định. Gọi v là vận tốc, f(v) là hàm phân bố vận tốc, Maxwell đề nghị: 3/ 2  Mv 2 / 2 RT  M  2 f (v)  4   ve  2  RT  (Chứng minh ở tr 55-57, C III, sách Nđhh tập 1) 15
  16. Hàm số phân phối vận tốc phân tử khí theo Maxwell Boltzmann Phân bố của các phân tử khí thật có vận tốc trong khỏang v1 tới v2 là tích phân từ v1 tới v2 của hàm f(v):   f (v )dv v2 v1 VD:Tính vận tốc trung bình của các phân tử khí N2 trong không khí tại 25 oC. Giải: 3/ 2  Mv 2 / 2 RT _  M  c  4   v e 3  dv  2  RT  _ c   vf ( v) dv 0 0 3/ 2 2 1/ 2 = 475 ms-1 _  M  x 1  2 RT    8RT  c  4        2  RT  2  M    M  16
  17. Hàm số phân phối vận tốc phân tử khí theo Maxwell Boltzmann Tóm lại, ta có 3 lọai vận tốc: 1/2 c  3RT  crms hay    M  1/ 2 _  8 RT  c   M  1/ 2  2RT  c   * Và cM hay M  Chapter 12 17
  18. Khí thật (real gases) Khí thật không hòan tòan tuân thủ định luật khí lý tưởng. Sự sai biệt càng trở nên đáng kể tại áp suất cao va nhiệt độ thấp, đặc biệt khi chất khí tại điểm hóa lỏng. Nguyên nhân là do tương tác đẩy (repulsion) và hút (attraction) giữa các phân tử. Lực đẩy trở nên quan trọng khi các phân tử gần tiếp xúc/tiếp xúc với nhau (áp suất cao). Lực hút quan trọng khi các phân tử ở khỏang cách tương đối gần (nhưng chưa chạm nhau (nhiệt độ thấp). Độ lệch của khí thật so với khí lý tưởng được đánh giá qua thừa số ép Z (compression factor) PVm Z RT Với khí lý tưởng, Z = 1 18
  19. Thừa số ép Z (the compression factor) Hình bên phải biểu diễn sự thay đổi của Z của một số khí khi thay đổi áp suất tại nhiệt độ không đổi 273 K. Tại áp suất thấp, khí thật giống khí lý tưởng Tại áp suất vừa phải, lực hút (đối với chất khí là lực van derWaals) quan trọng hơn lực đẩy, khí thật bị nén nhiểu hơn khí lý tưởng, Z giảm. Tại áp suất cao, khi các phân tử gần tiếp xúc/tiếp xúc với nhau,lực đẩy trở nên quan trọng hơn lực hút , Z tăng. Với khí lý tưởng, Z = 1 PVm Z RT 19
  20. Phương trình Van der Waals Là phương trình trạng thái cho khí thật, được xây dựng từ dữ liệu thực nghiệm và lý luận nhiệt động, hiệu chỉnh lại từ phương trình trạng thái khí lý tưởng. 1. Hiệu chỉnh ảnh hưởng thể tích thật của khí: Khí thật có thể tích lớn hơn khí lý tưởng (khí thật không thể bị nén về thể tích zero). Vậy: Vlý tưởng = Vthật- b 2. Hiệu chỉnh ảnh hưởng tương tác Van der Waals (áp suất): Áp suất khí thật lên thành bình nhỏ hơn khí lý tưởng do tồn tại lực hút làm giảm số phân tử va chạm với thành bình. Lực Van der Walls tỷ lệ với số phân tử bị hút trong một đơn vị thể tích và số phân tử có tác dụng hút trong một đơn vị thể tích tức là tỷ lệ với C2 (C: nồng độ phân tử), tỷ lệ nghịch với V2. Vậy: plý tưởng = pthật + VVan der Waals = p + a/V2 Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng, ta suy ra:   a    p  2  V  b   RT   Cho n mol khí:   n2 a   V  p  V  nb   nRT   2    V  20
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
7=>1