Bài giảng Nhiệt động lực học hóa học

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:51

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Nhiệt động lực học hóa học được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Quá trình tự diễn; Quá trình tự diễn biến liên quan với tốc độ; Quá trình không thuận nghịch; Nguyên lý 2 nhiệt động lực học; Entropy từ sự tính toán phân tử; Nguyên lý 3 nhiệt động lực học; Biến đổi Entropy trong hệ;...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Nhiệt động lực học hóa học

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC HÓA HỌC Chemical Thermodynamics Chemical Thermodynamics
NGUYÊN LÝ 1 • Định luật bảo toàn năng lượng: • Năng lượng có thể được chuyển từ năng lượng không thể tự sinh dạng này sang dạng khác. Hoặc, ra hoặc tự mất đi. chuyển từ hệ đến môi trường hay (James Joule năm 1843 ) ngược lại. • Vì thế, tổng năng nượng của vũ trụ là một hằng số. DE = q + w DEHệ + DEMt = 0 w = PDV DE = q + PDV DEsys = -DEsurr DE = q + DRT Chemical Thermodynamics
QUÁ TRÌNH TỰ DIỄN BIẾN • CÓ THỂ TỰ XẢY RA MÀ KHÔNG CẦN SỰ CAN THIỆP. {Spontaneity} Các quá trình tự diễn biến xảy ra theo chiều nào đó thì những quá trình không tự diễn biến xảy ra theo chiều ngược lại. Chemical Thermodynamics
Quá trình tự diễn biến • Quá trình tự diễn biến ở nhiệt độ này, có thể không tự diễn biến ở nhiệt độ khác. • Trên 0C quá trình nước đá tan chảy là QTTDB. • Dưới 0C quá trình ngược lại là QTTDB. Spontaneous @ T < 0ºC Quá trình tan chảy nước đá tùy thuộc vào: Chemical Thermodynamics Spontaneous @ T > 0ºC
Quá trình tự diễn biến liên quan với tốc độ C diamond C graphite Nhiệt động lực học vs. Động hóa Chemical Thermodynamics
Quá trình không thuận nghịch • Quá trình không thuận nghịch không thể được quay trở lại bằng chính xác con E1 Stone đường thay đổi đối với hệ. • Năng lượng nhiệt bị mất cho sự tiêu thụ và năng lượng đó không thể hồi phục nếu quá trình là thuận nghịch. + Work • Quá trình tự diễn biến là không thuận nghịch. Quá trình thuận nghịch Trong một quá trình thuận nghịch hệ thay đổi theo cách mà hệ và môi trường xung quanh E2 có thể quay về trạng thái ban đầu bằng Chemical quá Thermodynamics trình ngược lại đúng. - (work + heat)
Entropy (S) Entropy thì đo lường năng lượng mà trở nên tiêu hao và không tự do (sự ma sát, chuyển động phân tử = nhiệt). • Entropy (S) là chữ cái được đặt bởi Rudolph Clausius vào thập niên 1850’s. Clausius chọn "S" để tôn vinh Sadi Carnot (người đề ra sự tính toán năng lượng nhiệt trên lý thuyết thành công đầu tiên, bây giờ được biết là chu trình Carnot Carnot cycle, là nền tảng cơ bản cho nguyên lý 2 nhiệt động lực học second law of thermodynamics). • Clausius biểu diễn tỷ lệ giữa nhiệt lượng trao đổi và nhiệt độ tại đó nhiệt lượng trao đổi, q Entropy (S) = T Chemical Thermodynamics
Entropy (S) Gas • Entropy được nghĩ như một sự đo sự hỗn độn E ngẫu nhiên (mất trật tự) của một hệ. N • Nó được liên hệ với nhiều kiểu chuyển động khác T nhau trong các phân tử. Liquid R • Giống như nội năng, U, và O enthalpy, H, entropy cũng là P một hàm trạng thái. • Vì thế, Y DS = Sfinal  Sinitial Solid Chemical Thermodynamics {Entropy.WaterBoiling}
NGUYÊN LÝ 2 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC • Entropy của vũ trụ tăng đối với quá trình tự diễn biến (không thuận nghịch). DSuniv = DSsystem + DSsurroundings > 0 • Entropy của vũ trụ không thay đổi đối với quá trình thuận nghịch. DSuniv = DSsystem + DSsurroundings = 0 Chemical Thermodynamics
Entropy từ sự tính toán phân tử • Các phân tử cho thấy nhiều loại chuyển động (động năng):  Translational: di chuyển từ nơi này đến nơi khác.  Vibrational: di chuyển thứ tự của các nguyên tử trong phân tử.  Rotational: sự quay của phân tử theo trục hoặc quay quanh liên kết . • Boltzmann đã hình dung (envisioned) các loại chuyển động của một mẫu các loại phân tử tại một thời điểm xác định.  Điều này được xem như chụp nhanh bức ảnh của các phân tử.  Boltzmann cho rằng mẫu này như là một vi trạng thái microstate (W) của hệ nhiệt động lực học • Entropy là ……. Chemical S = k ln W Thermodynamics …..với k là hằng số Boltzmann, = 1.38  1023 J/K.
Entropy từ sự tính toán phân tử S = k ln W …..với k là hằng số Boltzmann, = 1.38  1023 J/K. • Số lượng vi trạng thái microstates (W) và, do đó, entropy (S) xu hướng tăng với sự tăng về.  Nhiệt độ (T).  Thể tích (V).  số các phân tử chuyển động độc lập (). Chemical Thermodynamics
Biến Đổi Entropy • Phản ứng nào có Entropy tăng và tại sao?  Khí được tạo thành từ chất lỏng và chất rắn. • Entropy tăng với sự tự do của chuyển động các phân tử. Heat H2O (l) H2O(g) {*Entropy&PhaseOfMatter} S(g) > S(l) > S(s)  Chất lỏng hoặc dung dịch được tạo thành từ chất rắn. H2O CaCl2 (s) Ca 2+(aq) + 2Cl-(aq) {*EntropySolutions.KMnO4(aq)}  Số phân tử khí (hoặc moles) tăng. Electricity 2 H2O (l) 2 H2 (g) + O2(g) 2 C8H18 (l) + 25 O2 (g) 16 CO2(g) + 18 H2O(g) Chemical Thermodynamics D gas= 34-25 = +9/2 = 4.5 C8H18
NGUYÊN LÝ 3 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Entropy (S) của chất tinh thể tinh khiết ở độ không tuyệt đối (-273 0C) là 0 K. Chemical Thermodynamics
Các Entropies tiêu chuẩn • Entropies tiêu chuẩn có khuynh hướng tăng với sự tăng khối lượng phân tử. • Các phân tử lớn hơn và phức tạp hơn có entropies lớn hơn (các cách lớn hơn thể hiện các chuyển động phân tử) Chemical Thermodynamics {*Entropy&MolecuarSize} {Entropy&Temp}C7H15 @ 500 K S=921J/nK vs, @ 200 K
Entropies tiêu chuẩn (298 K) từ Entropies tuyệt đối (0K) Entropy tuyệt đối (S) Rắn Lỏng Khí @ - 237°C (0 K), S = 0 Entropy tiêu chuẩn (S˚) q = mcDT @ 25°C (298 K), S = ???? DH°vap q mcDT CDT DS    S T T T T  298 K 298 S  T 0 CDT T  0 C T dT S° q = mcDT DH°fus Tính tổng của tất cả những thay đổi nhỏ Chemical ước lượng về entropy ở T khác nhau từ q = mcDT Thermodynamics T=0  T= 298, bằng tính tích phân của nó. 298 Nhiệt độ (K)
Biến đổi Entropy trong hệ DS°syst = DS°rxn @ T Biến đổi Entropy của phản ứng (= system) có thể được tính theo cách như tính DH: o o o DS 298   nS products   mS reactants n và m là những hệ số phương trình phản ứng. Chemical Thermodynamics
Biến Đổi Entropy trong hệ Tính biến đổi entropy tiêu chuẩn o trong phản ứng sau ở 25 C. N2 (g) + 3 H2 (g)  2 NH3 (g) DS° = SnDS°(prod) - SmDS°(react) 2(192.5) – [(191.5)+3(130.6)] DS° = - 198.3 J/ Chemical Thermodynamics
Biến đổi nhiệt động trong hệ (các phản ứng) DHrxn = S DHf (products) - SDHf (reactants) DSo   So   So ☺ 298 products reactants DGrxn = S DGf (products)  S DGf (reactants) Chú ý DS° đơn vị là J không là kJ. Chemical Thermodynamics
Biến đổi Entropy trong Surroundings Cái gì trong phản ứng gây ra biến đổi entropy trong surroundings? • Nhiệt (q) tỏa ra hay thu vào của những thay đổi của hệ entropy của surroundings: DSsurr ∝ - (qsys) q q • Đối với quá trình isothermal: Hệ (qsys) q q DSsurr= T • Ở áp suất không đổi, qsys là DH đối với hệ. q q q DHsys Chemical DSsurr= Thermodynamics Môi trường xq. T
Biến đổi Entropy trong vũ trụ Tính : DSuniv đối với phản ứng tổng hợp ammonia ở 25oC. N2 (g) + 3 H2 (g)  2 NH3 (g) DH°rxn = - 92.6 kJ/mol DSuniv = DSsyst or rxn + DSsurr SnDS(prod) - SmDS(react) -DHsys DSsurr = T 2(192.5) – [(191.5)+3(130.6)]  ( 92.6 kJ / mol x 1000 J / kJ)  298 K DS°syst = - 199 J/K·mol DSsurr = 311 J/K·mol DSuniv = - 198.3 J/K·mol + 311 J/K·mol Chemical Thermodynamics DSuniv = 113 J/K·mol