CHƢƠNG I: NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC
HỌC VÀ HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA QUÁ TRÌNH HOÁ HỌC
10T(6,4)
Hoạt động của thầy và trò Nội dung
- 1.1. Mở đầu
1.2. Một số khái niệm và định nghĩa
cơ bản trong nđl học.
1.2.1. Hệ và sự phân loại hệ:
Hệ nhiệt động được nói đến là một * Khái niệm hệ: 1 hay 1 nhóm vật
đối tượng vật chất cụ thể được thể được khảo sát
nghiên cứu, được tách biệt với môi
trường xq.
VD: Có n mol khí chứa trong một
xilanh có gắn pittông di động
Hay một lớp học với các học sinh và
giáo viên là một hệ * Phân loại hệ: Căn cứ vào trạng thái của
hệ ta có các loại hệ như sau:
+ Hệ cô lập: là hệ không trao đổi chất và
năng lượng với môi trường xq.
VD: Một loại bình cách nhiệt chứa
các chất phản ứng được đậy kín và
bao phủ bằng một lớp cách nhiệt dày + Hệ dị thể: Là hệ bao gồm các phần có
để chất và năng lượng không thể trao tính chất khác nhau, giữa các phần đó có bề
đổi với môi trường bên ngoài mặt phân chia. Mỗi phần của hệ gọi là một
VD: Hệ gồm nước đá, nước lỏng, hơi pha.
nước trong một bình kín là hệ 3 pha + Hệ đồng thể: Là hệ không có bề mặt
VD: Hệ chỉ có nước lỏng. phân chia pha
1.2.2. Thông số trạng thái- thông số cơ
bản:
1
*. Thông số trạng thái: Là các đại lượng
VD: Áp suất, nhiệt độ, thể tích, nội đặc trưng cho trạng thái của hệ( có thể đo
năng, khối lượng , thành phần hoá được trực tiếp hoặc xác định một cách gián
học,… tiếp).
* Thông số cơ bản: Là những thông số đo
VD: Trạng thái của một khối khí được bằng thực nghiệm. Những thông số
được nhốt trong một bình cầu được khác là hàm của thông số cơ bản.
xác định bởi 3 thông số: P=1 atm;
T= 298K; V= 1,5l cò thông số thứ
tư: số mol khí n được xác định qua
hệ thức PV= nRT
Theo định nghĩa: P,V, T: các thông 1.2.3. Hàm trạng thái:
số cơ bản; n là thông số không cơ + Những thông số mà giá trị của nó chỉ phụ
bản. thuộc vào trạng thái của hệ gọi là hàm
trạng thái
VD: Trong các thông số: P, V. T, U
thì nội năng U là một hàm trạng thái.
Ngoài ra entanpi H, entropi S, thế
đẳng nhiệt đẳng áp G… cũng là các
hàm trạng thái. + Biến thiên của các hàm trạng thái trong
Giả sử người ta có thể thực hiện một các quá trình chỉ phụ thuộc vào trạng thái
quá trình từ trạng thái 1 đến trạng đầu và trạng thái cuối của hệ mà không phụ
thái 2 của hệ theo hai cách(a) và (b) thuộc đường đi.
như hình vẽ:
1.2.4.Đại lƣợng dung độ và đại lƣợng
cƣờng độ đenta U= U2-U1( của cả a và b)
VD: Thể tích, khối lượng, entropi S, *. Đại lượng dung độ:
entanpi H… Những đại lượng phụ thuộc vào lượng
2
chất khảo sát và có tính cộng tính là những
đại lượng dung độ.
*. Đại lượng cường độ:
Những đại lượng không phụ thuộc vào
VD: Áp suất, nhiệt độ… lượng chất khảo sát và không có tính cộng
Hỏi: Áp suất có phải lúc nào cũng là tính gọi là những đại lượng cường độ
đại lượng cường độ không?
Không phải. Áp suất chất khí là đại
lượng cường độ không có tính cộng
tính, nếu là khí lí tưởng thì lại có tính
công tính.
Các nguyên lí trong nhiệt động học
cũng giống như những tiên đề trong 1.2.Nguyên lí I nhiệt động học
toán học, không chứng minh bằng lí 1.2.1. Nội dung cơ bản của nguyên lí:
luận. Các nguyên lí này được thiết Là sự bảo toàn và chuyển hoá năng lượng
lập từ những tài liệu thực nghiệm mà áp dụng cho các quá trình có sự trao đổi
loại người tích luỹ được. Tuy nhiên công và nhiệt.
tất cả những tính chất của hệ nhiệt 1.2.2. Phát biểu: Có rất nhiều cách phát
động hoàn toàn không mâu thuẫn với biểu nguyên lí I. Ở đây chỉ giới thiệu một
nguyên lí cũng như bất kì một hệ quả số cách hay dùng.
nào rút ra từ nguyên lí đó. Cách 1: Trong một quá trình bất kì, nhiệt
lượng cung cấp cho hệ dùng để biến thiên
nội năng và sinh công.
Động cơ vĩnh cửu loại I là động cơ Cách 2. Không thể tồn tại động cơ vĩnh cửu
chỉ cung cấp nhiệt một lần mà có thể loại I.
hoạt động mãi mãi. Chúng ta biết 1
động cơ bất kì sau một thời gian phải
tiêu hao năng lượng để thắng ma sát
3
giữa các bộ phận chuyển động vì vậy
nhất định phải tiếp thêm năng lượng.
Nguyênlí 1 khẳng định không có Cách 3. Trong hệ cô lập bất kì, năng lượng
động cơ chỉ cung cấp năng lượng 1 của hệ luôn luôn được bảo toàn.
lần mà có thể chạy mãi mãi.
Ta biết đối với hệ cô lập không
trao đổi năng lượng, không trao đổi
chất(A=0; Q=0) thì tổng năng lượng 1.2.3.Biểu thức toán học: Nguyên lí I có
của hệ( năng lượng quay, năng lượng thể được phát biểu dưới dạng biểu thức
liên kết, năng lượng dao động…) gọi định lượng:
chung là nội năng không có sự biến + Đối với quá trình vi mô(quá trình vô
đổi. cùng bé)
Q=dU+ A (1.1)
Trong đó: Q: Lượng nhiệt vô cùng bé;
A: lượng công vô cùng bé; dU: biến thiên
một lượng vô cùng bé của nội năng
+ Đối với quá trình vĩ mô:
Những vi phân như dU mà tích phân Q= U+ A (1.2)
của chúng chỉ phụ thuộc trạng thái Trong đó: Q: nhiệt lượng của quá trình; A:
đầu và trạng thái cuối của hệ gọi là công của quá trình; U: biến thiên nội
vi phân toàn phần( tức vi phân của năng
hàm gi?) hàm trạng thái. Tích phân
được ghi U( U= U2-U1)
Những vi phân như Q, A mà
tích phân của chúng phụ thuộc
đường đi hay cách thức của quá trình
gọi là vi phân không toàn phần.
Trường hợp này tích phân của chúng 1.2.4 Nội năng
được ghi đơn giản là: A, Q( với Nội năng U là năng lượng tiềm tàng trong
4
hệ bao gồm năng lượng chuyển động tịnh Q Q2-Q1; A A2- A1)
Không xác định được giá trị tuyệt tiến, năng lượng chuyển động quay của các
đối của nội năng nhưng dựa vào phân tử, năng lượng quay của các electron
năng lượng thoát ra hay thu vào của trong nguyên tử, năng lượng hạt nhân
hệ mà có thể suy ra được độ biến nguyên tử
thiên nội năng của hệ khi đi từ trạng
thái 1 sang trạng thái 2 là denta U=
U2-U1
+Công và nhiệt không phải là hai
dạng năng lượng mà chỉ là 2 dạng
chuyển năng lượng. Chúng chỉ xuất
hiện trong các quá trình mà không
đặc trưng cho trạng thái của hệ. Giá
trị của chúng phụ thuộc đường đi
1.2.5 Công và nhiệt
Theo dõi sơ đồ sau:
A1 A2 A3;Q1 Q2 Q3
*Công dãn nở: Khi ta truyền một mhiệt
*Chú ý: Khi tính toán theo nguyên lí I lượng Q cho chất khí đựng trong xi lanh
phải biểu diễn công, nhiệt và nội năng dưới dạng 1pitông, một mặt khí sẽ được đốt
cùng một đơn vị. Thường dùng J hoặc nóng( tăng nội năng của hệ) và mặt khác khí
cal; KJ hoặc Kcal dãn nở nghĩa là sinh ra một công để nâng
pitông lên
5
*Công thức: A=pdV (1.3)
Hay A= (1.4) Vậy có thể kết luận thế nào về nhiệt
của quá trình đẳng tích? Một số công thức chuyển đơn vị:
- Trong quá trình đẳng tích, nhiệt 1 cal=4,184.104 erg = 4,184 J
cung cấp cho hệ chỉ làm biến 1J=0,239cal
thiên nội năng. 1lit-atm=24,22 cal = 101,325 N.m=101,325
J
+ Áp dụng nguyên lí I cho một số quá
trình:
Có thể kết luận thế nào về nhiệt của *Quá trình đẳng tích(V=const hay
quá trình đẳng áp? =0 dV=0) AV= QV= U+AV = *Trong quá trình đẳng áp, nhiệt
cung cấp cho hệ chỉ làm biến thiên U (1.5)
entanpi *Quá trình đẳng áp(P=const hay dP=0)
*Entanpi là một hàm trạng thái và Qp = U+Ap
có thứ nguyên năng lượng nên là một
= U+ = U+p dạng năng lượng của hệ
= U2-U1+P(V2-V1)
=(U2+PV2)-(U1+PV1)
Đặt H=U+PV gọi là entanpi
Qp= H=H2- H1
+ Quá trình dãn nở đẳng nhiệt của khí lí
tưởng: Theo định luật Gay-Luytxac, nội
Nhiệt hoá học là một lĩnh vực năng của khí lí tưởng chỉ phụ thuộc vào
chuyên nghiên cứu hiệu ứng nhiệt
6
của phản ứng hoá học. Mục tiêu nhiệt độ theo công thức : U= (1.7), chính của bài học là sự vận dụng
trong đó: nguyên lí I NĐH vào hoá học thông
I : bậc tự do của phân tử khí qua nhiệt hoá học
R: Hằng số khí lí tưởng *Ta biết một phản ứng hoá học
= 0,08205 atm/mol.độ thường kèm theo phát nhiệt hoặc thu
=8,314J/mol.độ=1,98725cal/mol. độ nhiệt. Giả sử một PTPƯ được biểu
1.2. Nhiệt hoá học diễn như sau:
1.2.1. Khái niệm và định nghĩa. Lượng nhiệt Q này phụ thuộc vào
cách tiến hành phản ứng vì nó là một
hàm của quá trình.
+ Để nhiệt phản ứng có giá trị xác
định, người ta phải qui định thống
nhất các điều kiện tiến hành phản
ứng. Đó là:
+ Hiệu ứng nhiệt: <1> Phản ứng được thực hiện trong
a A + b B= g G+ d D Q điều kiện có áp suất hoặc thể tích
Trong đó Q: nhiệt phản ứng không đổi.
<2> Trong suốt quá trình phản ứng
hệ không thực hiện công nào ngoài công dãn nở thể tích( A’=0)
<3> Phản ứng thực hiện ở T=const
Khi các điều kiện trên được thoả mãn thì Thực tế, các pưhh thường diễn ra ở
nhiệt pư sẽ có giá trị hoàn toàn xác định. đk áp suất khí quyển(coi như không
Khi đó người ta dùng hiệu ứng nhiệt thay đổi), do đó hầu như người ta chỉ
cho nhiệt của phản ứng. dùng hiệu ứng nhiệt đẳng áp và kí
7
hiệu H Nếu phản ứng diễn ra ở đk p=const ta có
Trong nhiệt hoá học hay sử hiệu ứng nhiệt đẳng áp Qp(Qp= H)
dụng các phương trình nhiệt hoá học. Nếu pư diễn ra ở điều kiện V=const ta
Đó là các pt hh thông thường có viết có hiệu ứng nhiệt đẳng tích QV(QV= U)
kèm theo hiệu ứng nhiệt H
+ Phương trình nhiệt hoá học:
Chú ý: Phân biệt với qui ước và Nếu H<0; phản ứng toả nhiệt
cách viết cũ của nhiệt hoá học. Nhh VD: Cgr +O2 k CO2 k
trước đây qui ước nhiệt phản ứng Q=- H=-393,96 KJ/mol
H với Q>0 pư toả nhiệt; Q<0 pư + Nếu H>0; phản ứng thu nhiệt
thu nhiệt VD: Cgr + H2O COk + H2 k
H=131,38 KJ/mol VD:Cgr+O2k=CO2k+393,96 KJ/mol
Qui ước mới phù hợp với thực tế: Khi
hệ toả nhiệt năng lượng dự trữ của hệ
giảm nên H và U <0
Sau đây xét hai trường hợp riêng của hiệu
ứng nhiệt:
*Nhiệt sinh(sinh nhiệt, nhiệt tạo thành)-
Viết đầy đủ phải là: nhiệt sinh của một chất.
-Nhiệt sinh của một chất là hiệu ứng
VD: Nhiệt sinh tiêu chuẩn của HCl nhiệt của phản ứng tạo thành 1mol chất đó
bằng -92300 KJ/mol; theo đn là HƯN từ các đơn chất bền vững ở đk đã cho về
của pư: nhiệt độ , áp suất
1/2H2 + ½ Cl2 HCl (đktc) - Thường dùng nhiệt sinh tiêu chuẩn:
8
Thường viết: nhiệt sinh đo ở đktc (T=298K;P=1atm); kí
hiệu: 1/2H2 + ½ Cl2 HCl
(HCl)=
VD2: Cho nhiệt sinh tc của CaCO3
bằng -1207KJ/mol nghĩa là cho:
= Car+Cgr+3/2O2 CaCO3 r
Mặc dù hầu hết các pư như thế phần
lớn chỉ là những pư giả định không
thực hiện được trong thực tế nhưng
HƯN của chúng vẫn có thể tính được
từ những dữ kiện lấy từ những pư
khác dựa vào đl Hess
+ Từ đn suy ra: nhiệt sinh của các đơn VD: Cho nhiệt cháy tc(th gọi tắt là
chất bền =0( không có) nhiệt cháy) của C=-393,96KJ/mol tức
là cho:
*Nhiệt cháy(thiêu nhiệt): của một chất là = C r + O2 k= CO2 k
hiệu ứng nhiệt của pư đốt cháy 1mol chất đó VD: Cho nhiệt cháy của C2H2= - bằng oxi tạo thành oxit cao nhất ứng với các 1298,88 KJ/mol nghĩa là cho: nguyên tố C2H2 k + 5/2O2 2CO2 k + H2Ok Nhiệt cháy ở đktc gọi là nhiệt cháy tc. Kí = -1298,88KJ/mol hiệu :
Vậy: HƯN của pư vừa có thể là nhiệt
sinh của chất này đồng thời là nhiệt
cháy của chất kia. Nhiệt cháy của
các oxit cao nhất=0.
2HCl Hỏi:HƢN của pƣ: H2 + Cl2
có phải là nhiệt sinh của HCl?
HƢNcủa: C+ 1/2O2 COcó phải
là nhiệt cháy củaCkhông?Vì sao?
9
Nhiệm vụ quan trọng nhất của NHH
là phải xác định được HƯN của các
quá trình HH. Có thể xác định HƯN
bằng pp thực nghiệm tuy nhiên chỉ
thực hiện được khi pư xảy ra nhanh,
hoàn toàn và k đòi hỏi những thí
nghiệm phức tạp
VD: Rõ ràng không thể xác định
được HƯN của pư bằng thực nghiệm
CO vì pư này luôn kèm C+O2
theo pư sau: C + O2 CO2 .
Năm 1841, một viện sĩ Nga tên là
Hecman Ivanovic Hess đã công bố
một định luật cho phép tính được
HƯN của rất nhiều PƯHH dựa vào
các số liệu liên quan mà k phải làm
những thí nghiệm phức tạp. Đl này 1.2.2 Định luật Hess
mang tên ông-Đl Hess.
Sau đây là nội dung và ứng dụng cụ
thể của đl
10
Phát biểu: HƯN đẳng tích hay đẳng áp của
một pưhh( hoặc một quá trình hoá lí) chỉ
phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái
cuối của hệ pư mà không phụ thuộc đường
đi.
Giải thích đl: (hv)
Xét một pư gồm các chất tham gia A,
B,…(tt đầu)và các chất sp: G, D,…(tt
cuối). Giả sử pư được tiến hành theo 3
cách:
- +Cho A pư trực tiếp với B tạo thành G và
D với HƯN H1
- +Cho pư theo 2giai đoạn: từ A+B tạo ra
trạng thái trung gian có HƯN H2, từ
TTTG ra sp G+D có HƯN H3
- + Cho pư theo 3 giai đoạn: Từ
11
12
