Lý thuyết và ứng dụng hóa học đại cương (Tập 2): Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:120

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu "Lý thuyết và ứng dụng hóa học đại cương (Tập 2)" phần 1 trình bày các nội dung chính sau: Một số khái niệm cơ sở của nhiệt động học; Công và nhiệt; Nguyên lý nhiệt động học, nhiệt hóa học; Nguyên lý II nhiệt động học, cân bằng và chiều diễn biến của các quá trình hóa học; Cân bằng hóa học;... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Lý thuyết và ứng dụng hóa học đại cương (Tập 2): Phần 1

r TlilíviÊN Đ À O ĐÌNH THỨC UẬI . ; ọ j n iu v s Ả N ệ ;Ị.T • 541 l tVỈCSTh T.2 I l i ( ỈỈAHOC D i Ũ CƯƠNG 1 Tập II Từ LÝ THUYẾT ĐẾN ỨNG DỤNG ĐỊKỊ ® G HáHỌI N H À X U Ấ T B Ả N Đ Ạ I H Ọ C Q U Ốhttp://tieulun.hopto.org C G IA H À N Ộ I
GS. ĐÀO ĐỈNH THỨC HOÁ HỌC ĐẠI CƯƠNG ■ ■ TẬP II TỪ LÝ THUYẾT ĐẾN ỨNG DỤNG (In lẩn th ứ 2) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI http://tieulun.hopto.org
MỤC LỤC Trang LÒI NÓI DẦU ...........................................................................................7 I. CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT c o B Ẩ N .......................... 9 1. Tính chất của các chất k h ỉ .................................................... 9 2. Một số khái niệm cơ sở của nhiệt động học . . . . 18 3. Công và n h i ệ t ............................................................................... 26 Bài t ậ p ............................................................................................... 36 li. NGUYÊN LÍ I NHIỆT ĐỘNG HỌC, NHIỆT HOA HỌC . . 38 1. Nguyên lí I nhiệt động h ọ c ...............................................38 2. Nhiệt hóa h ọ c ............................................................................... 42 Bài t ậ p ............................................................................................... 65 III. NGUYÊN LÍ II NHIỆT DỘNG HỌC, CÂN BẰNG VÀ CHIỀU DIỄN BIẾN CỦA CÁC QUA TRÌNH HOA HỌC . 67 1. Nguvên lí II nhiệt động học ................................................. 67 2. Nguyên lí III nhiệt động học và entropi tuyệt đối . . 73 3. E ntanpi tự do và chiểu diễn biến của các phản ủng hđa h ọ c ..........................................................................................76 Bài t ậ p ............................................................................................... 97 IV. CÀN BẰNG HÓA H Ọ C ...................................................................99 1. Định luật cân bằng hóa học ................................................. 99 2. Chuvển dịch cân bằng, nguyên lí Le Chatelier . . . 1 1 4 Bài t ậ p .............................................................................................120 V. CÀN BẰNG P H A ............................................................................122 1. Khái niệm pha và cân bằng p h a ........................................122 2. Điểu kiện cân bằng p h a ........................................................127 http://tieulun.hopto.org 3
3. C ân bằng pha của m ột chất nguyên chất, phương trìn h Clapeyron - C la u s iu s ................................. 129 4. Giản đồ trạ n g thái của m ột c h ấ t ................................. 133 5. Quy tắc pha G i b b s ............................................................ 138 6 . Cân bàng lỏng hơi hệ 2 cấu t ử ...................................... 141 7. Cân bằng rắn lỏng hệ 2 cấu tử ................................. 154 Bài tập ....................................................................................... 158 VI. DUNG D Ị C H ............................................................................................ 160 1. Phân loại dung dịch, nồng đ ộ ...................................... 160 2. Cân bàng dung dịch, độ hòa t a n ........................................... 3. Áp suất hơi bão hòa của dung dịch chứa chất hòa tan không bay h ơ i ...................................................... 168 4. N hiệt độ sôi của dung dịch chứa chất ta n không bay hơi .................................................................. 170 5. N hiệt độ kết tinh của dung dịch chứa chất tan không bay h ơ i ....................................................................... 175 6 . Áp suất thẩm t h ấ u ............................................................ 178 7. Định luật Raoult. và hệ thức V an’t H off đối với dung dịch điện l i ................................................................. 180 Bài tập ....................................................................................... 184 VII. DUNG DỊCH ION ............................................................................. 186 1. H iện tượng điện li ............................................................ 186 2. Chất điện li m ạnh, chất điện li y ế u ........................... 188 3. Khái niệm axit - b a z ơ ....................................................... 191 4. Tích số ion của nước - pH của dung dịch . . . . 196 5. Tích số tan hiệu ứng ion chung ................................. 209 6 . Các phản ứng trong dung dịch.......................................... 213 Bài tập ....................................................................................... 214 VIII. ĐẠI CƯONG VÈ ĐỘNG HÓA H Ọ C ........................................ 216 1. Tốc độ phản ứ n g ................................................................. 216 2. P hản ứng sơ cấp - thuyết va chạm và thuyết phức chất hoạt đ ộ n g ........................................... 219 4 http://tieulun.hopto.org
3. Nồng độ và tốc độphản ứ n g ................................................225 4. Phương trình động học của phản ứng hóa học . . . 230 5. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ 234 6 . Xúc t á c ....................................................................................... 237 Bài t ậ p .............................................................................................243 ¡X. PHẤN ỨNG OXỈ HÓA - KHỬ VÀ ĐAI CƯONG VỀ ĐIỆN HÓA H Ọ C ...................................................................... 245 1. Phản ứng oxi ho'a - k h ử ........................................................ 245 2. Pin G a n v a n i ............................................................................. 251 3. Điện p h â n .................................................................................. 274 4. Hiện tượng ăn mòn ............................................................. 282 Bài t ậ p .............................................................................................284 PHỤ L Ụ C ............................................................................................... 286 TÀI LIỆU THAM K H Ả O ...................................................................... 290 5 http://tieulun.hopto.org
LÒI NÓI ĐẦU • Trong chương trình Hóa học cơ bản, Hóa Đại Cương là môn học truyền thống m à nội dung bao gồm những lí thuyết cơ sỏ của Hóa học, thực chát là lí thuyết cơ sở của Hóa lí, cân trang bị cho sinh viên ngay từ nám đàu, trước khi học các môn học khác. Hóa Đại cương dược coi là nền móng của chuyên ngành Hóa. • Vi trong thời gian nửa th ế k ỉ qua, Hóa học p h á t triền nhanh chóng cả vê m ặ t lí thuyết lẫn phương pháp nghiên cứu nên nội dung giáo trinh Hóa Đại Cương cũng dược hiện dại hóa m ột cách thích ứng. • Hóa Dại Cương gôm hai phần m à trong chương trình gọi là Aị và A t áp dụng cho nhóm ngành II, hệ Đại học. Giáo trình Aị đã được xuất bản năm 1 9 9 7 ^ \ Tài liệu này là giáo trình A 2. • VÌ nội dung của giáo trình bao gồm những lí thuyết cơ sở của Hóa lí nên tài liệu này cùng với giáo trình Aị có thề dược sử dụng làm giảo trình Hóa lí cho các trường Cao dẳng và các trường K ỉ thuật có liên quan đến Hóa học. • VỈ Hóa Đại Cương bao gồm những lí thuyết cơ sở của Hóa học nên từ vài ba chục năm nay m ôn học này được chọn là "môn Cơ sở" trong các ki thi tuyển nghiên cứu sinh di học nước ngoài, trong thời gian trước kia và trong các ki thi tuyển sinh hệ Cao học và hệ N ghiên cứu sinh hiện nay. • Vói tín h chát là m ột giáo trình cơ sở nên giáo trình được biên soạn- m ột cách ngán gọn, các kiến thức dược hệ thống hóa m ột cách chặt chẽ, tiếp theo sau mỗi đ ịn h luật, mỗi công thức đều có (1) Giáo trình A i đã được tái bàn lần thứ ba nănt 1999 7 http://tieulun.hopto.org
p fia n ủ n g d ụ n g cụ thể g iú p dộc giả n ắ m chắc dược ý nghĩa của các đ ịn h luật và biết cách vận d ụ n g các đ ịn h luật dó vào các bài toán thục tế. Cuỗi m ối chương có các bài tập cùng các dảp số. • H i vọng rằng tài liệu này có th ể được sử dụng làm tài liệu tự học, tự đào tạo cho sin h viên và các cán bộ Hóa học m à trước kia chưa có diêu kiện học tập m ôn học này m ột cách có hệ thống. • Việc biên soạn tài liệu này chắc chẩn còn có nhiều thiếu sót, rất m ong dược sự góp ý xây d ự n g của các dộc giả. T ác g iả 8 http://tieulun.hopto.org
I. CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT C ổ BẨN • Các chương đầu của tài liệu để cập đến các nguyên lí cơ sở của nhiệt động lực học và ứng dụng của các nguyên lí đó trong hóa học. Lĩnh vực lí thuyết này được gọi là n h iệ t d ộn g lực hóa học. • Trên cơ sở của các nguyên lí nhiệt động lực học (gọi tát là nhiệt động học hay nhiệt động) nhiệt động hóa học nghiên cứu các hiệu ứng năng lượng, các trạn g thái và các điêu kiện cân bằng của các hệ ho'a học cũng như khả năng và chiểu diễn biến của các quá trình hóa học. • Trong chương này ta làm quen với một sô' khải niệm cơ sở của nhiệt động hóa học, các tính chất của các chất khí, thường phải xét đến trong các chương tiếp theo. 1. TÍNH CHẤT CỦA CÁC CHẤT KHÍ 1. 1. THUYỂT ĐỘNG HỌC VẼ CÁC CHẤT KHÍ • Thuyết động học về các chất khí dựa trên những định luật cơ sở sau đây: - Các phân tử khí ở trạn g thái phân tán, khoảng cách trung bình giữa các phân tử khí rấ t lớn so với kích thước của phân tử. - Các phân tử khí luôn luôn ở trạ n g thái chuyển động hỗn loạn, vị trí và vận tốc luôn luôn thay đổi. - Sự va chạm giữa các phân tử khỉ là các va chạm đàn hổi, tổng động năng của các phân tử khí không thay đổi sau khi va chạm. 9 http://tieulun.hopto.org
- Tại m ột nhiệt độ xác định, phân tử của các chất khí khác nhau đều có một động nâng trung bình ^ như nhau 1.2. ĐỊNH LUẬT AVOGADRO VỂ CÁC CHẤT KHÍ • T ro n g c ù n g n h ữ n g d iề u k iệ n v ề n h iệ t đ ộ v à áp su ấ t n h ư n h a u , n h ứ n g t h ể tỉc h b ằ n g n h a u (V 1 = V-,) c ủ a c á c c h ấ t khí k h á c n h au d ểu chứa c ù n g sô' p h ân tử n h ư n h a u (Nj = N 2). Điều đó cũng có nghĩa là: Trong cùng những điều kiện vễ nhiệt độ và áp suất như nhau, một mol phân tử của các chất khí khác nhau INI = N 2 = ... = 6,022.1023) đều cđ cùng một thể tích như nhau (Vị = v 2 = ...). Thực nghiệm cho kết quả: ở điểu kiện tiêu chuẩn t = 0°c, p = 1 atm, thể tích này bàng 22,414 1, VQ = 22,414 1/mol được gọi là th ể t íc h m ol p h â n tử của các chất khí ở điều kiện tiêu chuẩn. 1.3. KHÍ Lí TƯỞNG, PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÍ TƯỞNG • Vì khoảng cách giữa các phân tử lớn, lực tương tác giữa các phân tử rất yếu nên ở một áp suất đủ nhỏ, lực tương tác này co' thể coi bằng không và khi đó ta có một khí lí tưởng. K hí lí tư ợ n g như vậy là một khí mà lực tương tác giữa các phân tử được coi bằng không. • Các khí lí tưởng tuân theo các định luật Boyle - Mariotte, Gay - Lussac, Charles hay phương trình tổng hợp của các định luật trên, được gọi là p h ư ơ n g tr ìn h tr ạ n g th á i c ủ a k h í lí tưởng. - Đối với lượng khí 1 mol: PV = RT (1 .1 ) Đổi với lượng khí n mol: PV = nRT 12 ( . ) 10 http://tieulun.hopto.org
Trong đd: p là áp suất; V là th ể tích; T là nhiệt độ tuyệt đối T(K) = t°c + 273,15 của khối khí cần xét; R là một hàng số được gọi là h à n g số khí; R = 8,314 J/K mol hay 0,082 latm/K mol. Tùy theo các đơn vị được sử dụng trong phương trình mà ta sẽ sử dụng m ột trong các giá trị trên của R. • Vì R là một hằng sô' nên trong cả hai trường hợp ta đểu có: PV = const PiVi P 2V2 hay (1.3) M 2 • Như đã nói ở trên, phương Ti tr ìn h tr ạ n g th á i PV = nR T là phương trình tổng hợp bao gổm tấ t cả các định luật Boyle - M ariotte, Gay - Lussac, Charles ứng với PV n h ữ n g trư ờ n g hợp đặc b iệ t k h ác n hau. Từ c o n st hay PlV, P2V2 = T ta suy ra: - Đ ịn h lu ậ t B oyle - M ariotte: Khi nhiệt độ không đổi (T = const) ta co': PV = const hay P jV j = P t.Vt. - Đ ịn h lu ậ t Gay - Lussac: Khi thể tích không đổi (V = const) ta có: p Pi p 2 - = const hay — = — 11 http://tieulun.hopto.org
- Đ ịn h lu ậ t C harles: Khi áp su ấ t không đổi (P = const) ta có: V V, v2 - = const hay Y = Y2 • Phương trìn h trạ n g thái của khí lí tưởng được luôn luôn đé cập đến tro n g các giáo trìn h nhiệt động học cũng như tro n g các giáo trìn h ho'a lí no'i chung. Phân tử khối của các ch ất khí cũng như của các chất lỏng và rắ n dễ bay hơi thường được xác định trê n cơ sở của phương trình này. • Từ phương trìn h PV = nR T hay PV = ^ RT ta có RT M = m (1.4) PV Nếu biết khối lượng m, áp su ấ t p, th ể tích V và nhiệt độ T (sau khi đã hóa hơi) ta có th ể suy ra phân tử khối M của chất cần xét. • P h ư ơ n g p h áp M eyer (M ayơ) được trìn h bày dưới đây thườ ng được sử dụng tro n g việc xác định phân tử khối của các chất rán và lỏng dễ bay hơi (thí dụ iôt, thủy ngân...). Sau khi bình hóa hơi A đã được đưa lên m ột nhiệt độ tương đối ổn định (n h iệt lượng được cung cấp bởi ch ất lỏng đun nóng tro n g bình B) và cao hơn nhiệt độ h ó a hơi c ủ a c h ấ t c ầ n xét, người ta cho chất này từ D rơi Hình M' Phươn9 pháp Meyer xác đinh „«c__ 1 1 1 /♦ .__, _ phân tữ khối của chất rắn hay xuỗng đáy binh (dưng trong môt . y ' lỏng dê bay hơi. 12 http://tieulun.hopto.org
ampun thủy tinh mỏng treo ở D). Sau khi đã hóa hơi, hơi này sẽ chiếm chỗ của nước trong ống hình trụ E (chia độ theo thể tích) đẩy mực nước xuống thấp Thể tích V được đọc trực tiếp trên ống chia độ. Tuy nhiên, trước khi ghi thể tích V người ta phải điều chỉnh độ cao của ống E sao cho mực nước ở trong ống bằng mực nước ở bên ngoài, bảo đảm áp suất của hơi thu được bằng áp suất p của khí quyển. Như vậy trong công thức 1.4 ta có T là nhiệt độ của hơi trong ống E tức là nhiệt độ phòng, p là áp suất của khí quyển, V là thể tích đọc được trên ống E và m là khối lượng của chất (phải cân trước khi làm thí nghiệm). Ta cần lưu ý là, vì hơi được hứng trên chậu nước nên trong khí thu được ở ống E có lẫn hơi nước bão hòa ở nhiệt độ thí nghiệm. Vì vậy, một cách chính xác, áp suất p (trong công thức tính) phải bàng áp suất khí quyển khi tiến hành thí nghiệm trừ đi áp suất bão hòa của hơi nước ở nhiệt độ thí nghiệm: p = p (khí quyển) -P(H>0). Áp suất hơi bão hòa này có thể tìm thấy trong các bảng dữ liệu tra cứu. ứ n g d ụ n g 1. Trong phương pháp Meyer xác định phân tử khối của m ột chất người ta sử dụng một m ẫu chất co' khói lượng m = 0,052 g và thể tích khi thu được V = 0,01 1. Biết rằng thí nghiệm được thực hiện ở diễu kiện p = 1 atm , t = 20°c và ở t = 20°c thì áp suất hơi nước bão hòa P (H 20 ) = 0,02 atm. Hãy tính phân tử khối của chất đó. „ m m mRT • Pv = nRT = RT —» M P.v 0 ,0 8 2 .2 9 3 M = ° '052 Õ õ o - 0,02) õ,01 = 127-5 g,mo1 ứ n g d ụ n g 2. Một lượng khí 5 mol, chứa trong một bình co' thể tích 0,1 m 5. Tính áp suất của khối khí ở 25°c. http://tieulun.hopto.org 13
Từ công thứ c PV = nR T ta có: RT 8 ,3 1 4 .2 9 8 ,1 5 , p = n ^ ỷ - = 5. —----- = 1,239.10' Pa ứ n g d ụ n g 3. Một khối khí ở 27°c, dưới áp suất p = 1,5 atm có thể tích bằng 10,00 1. Tính thể tích đó ở điều kiện tiêu chuẩn. p oVo PV Từ công thức: ta cd: PV T 1.5.10.273,15 V = — ---- - = 13,65 1 ° T.p (273,15 + 27) . 1 1.4. HỔN HỢP KHÍ Lí TƯỞNG. ĐỊNH LUẬT DALTON (ĐANTƠN) • Ta giả thiết cổ hỗn hợp 3 chất khí khác nhau A, B, c với số mol tương ứng là nA, nB, nc ; V và T là thể tích và nhiệt độ của hỗn hợp. Nếu gọi n = nA + nB + nc , từ phương trình trạng thái của khí lí tưởng ta QÓ: PV - nRT = (nA+ nB + nc )RT (1.5) N ếu gọi p v pB, pc là áp suất riêng phần của các chất khí A, B, c nghĩa là áp suất của mỗi chất khí khi no' chiếm cứ một mình cả thể tích V của hỗn hợp, ta sẽ có, đối với mỗi chất khí: PAV = nART (1.6) PBV = nBRT pc v = nc RT hay (pA + Pb + P(-)V = ' (nA + n B + n( iRT So sánh với (1.5) ta co': p = Pa + Pb + Pc (1.7) Trong trường hợp chung, đối vỡi một hỗn hợp, tỉ số —- kí hiệu n là XA , được gọi là p h â n s ố mol của khí A. 14 http://tieulun.hopto.org
Một cách tương tự ta có: nc — ■ (x A + XB + xc = 1). Nếu chia (1.6) cho (1.5) ta co': Pa nA — = XA hay PA = XAP . p Một cách tương tự ta cũng có: Pg = XBP , pc = XCP hay trong trường hợp chung ta có: 18 ( . ) Hệ thức (1.7) và (1.8) diễn tả nội dung của địn h lu ật Dalton: Áp su ấ t riê n g p h ầ n củ a m ỗi c h ấ t khí tron g h ỗn hợp khí ỉí tư ở n g th ì b ằ n g ph ân s ố m ol X j củ a khí đó nh ân với áp su ất c h u n g p củ a h ỗn hợp v à áp su ấ t c h u n g p của hốn hợp b àn g tổ n g áp su ất riê n g p h ầ n củ a c á c ch ất khí. ứ n g dụng. Trong không khí, oxi chiếm 20,9% về thể tích. Với giả thiết, ngoài oxi và nitơ thành phần của các chất khí khác không đáng kể. Hãy tính áp suất riêng phần của oxi và nitơ (coi áp suất của khí quyển bằng đúng 1 atm). • Theo định luật Avogađro, trong cùng những điều kiện về áp suất và nhiệt độ như nhau, cùng th ể tích của các chất khí khác nhau đều chứa cùng một s& phân tử hay cùng một số mol phân tử như nhau, v ì vậy số mol khí N 2 và số mol khí 0 , tỉ lệ với thể tích của chúng: n ( ° 2) 20,9 n (0 2) 20,9 20,9 n (N2) 79,1 hay n (N2) + n ( 0 2) 20,9 + 79,1 100 ' 20,9 Từ đo' ta co': x (0 2) = (x là phân số mol) và x(N ?) = -— 7 . L 100 http://tieulun.hopto.org 15
Áp dụng định lu ật Dalton: Pj = XịP ta có: 20,9 P ( 0 ,) = . l(a tm ) = 0,209 a tm ; 79,1 P (N t) = Ỷ“ -.l (atm t = 0,791 a tm 1.5. KHÍ THỰC, PHƯƠNG TRỈNH van DER WAALS • N hư ta đã biết, giữa các phân tử luôn luôn tồn tại m ột loại liên kết yếu được gọi là tươ ng tác Van der W aals (Van dec Van). N ếu m ậ t độ các phân tử khí tương đổi lớn, lực tươ ng tác này không th ể coi bàng không. Khi đo' ta co' m ột k h í th ự c . Với sự chú ý đến tư ơ ng tác này và với sự chú ý đêh th ể tích riêng của các phân tử Van d er W aals đã đưa thêm các số hạng chỉnh lí vào phương trỉn h trạ n g thái của các khí lí tưở ng và th iế t lập nên phương trìn h trạ n g th ái của các khí thực, thư ờ ng được gọi là p h ư ơ n g t r ì n h V a n d e r W aals. • Đối với m ột mol khí: (p + (V - b) = RT (1.9) N ếu gọi V là th ể tích của n mol khí, ta có V = —; thay giá trị này vào phương trìn h trê n ta co': • Đối với n mol khí: n 2a (p + ~ ) (v - nb) = nRT (1.10) T rong phương trìn h trên , a và b là các hàng sô kinh nghiệm, co' giá trị khác nh au đối với các c h ấ t khác nhau. Dưới đây là m ột số ví dụ: 16 http://tieulun.hopto.org
Ht n2 °2 CO t atm l2-. 0,246 1,35 1,35 3,6 mol 2 - 0,0266 0,0385 0,0318 0,0427 mol. • Tác dụng tương hỗ giữa các phân tử co' tác dung Jam giảm áp suất của các chất khí tác dụng lên thành bình, vì vậy, áp suất p đo được của khí thực phải cộng thêm số hạng hiệu chính a /v 2; a /v 2 được gọi là áp su ất nội. • Vì moi phân tử co' một th ể tích riêng nên không gian chuyển động tự do của các phân tử khí bị giảm. Trong phương trình, số hạng b biểu thị phán không gian bị giảm đó. Vì khi tiến lại gần nhau, giữa các phân tử còn co' lực đẩy tương hỗ nên b không hoàn toàn bằng tổng thể tích riêng của các phân tử m à co' giá trị xấp xỉ gấp 4 lẩn th ể tích riêng của một mol phân tử. Nếu gọi r là bán kính phân tử thì thể tích riêng của một mol bàng 4/3 7rr3N và b — 4(4/3 .Tr 'N>. Từ hằng số b người ta co' thể tính ra bán kính gần đúng r của phân tử. http://tieulun.hopto.org 17
2. M Ộ T SỐ KHÁI NIỆM c ơ SỞ CỦA N H IỆT ĐỘNG HỌC 2.1. HỆ • H ệ là tập hợp các đối tượng nghiên cứu giới hạn tro n g một khu vực không gian xác định. Ví dụ, tập hợp các hợp chất ho'a học tương tác với nhau trong m ột bỉnh phản ứng. • Hệ nghiên cứu có th ể trao đổi chất và năng lượng với môi trư ờ n g ngoài. - H ệ mở là hệ co' th ể tra o đổi cả chất và nâng lượng. Ví dụ, phản ứng nung vôi (C aC 0 3 —» CaO 4- c o ? T 1 thực hiện tro n g m ột lò hở. Ngoài n ă n g lượng tra o đổi, khí c o , liên tục chuyển từ hệ ra môi trư ờ ng ngoài. - H ệ k ín là hệ chỉ có th ể trao đổi năng lượng m à không trao đổi ch ất với môi trư ờng ngoài. Ví dụ, các phản ứng th u hay p h át nhiệt thông thưòng, thực hiện tro n g phòng thí nghiệm . - H ệ c ô lập là hệ không trao đổi cả chất lẫn năng lượng với môi trư ờ ng ngoài. Ví dụ, các phản ứng thực hiện trong bình phản ứng kín, cách nhiệt. • H ệ có th ể là đổng th ể hay dị thể. - H ệ đ ố n g th ể là hệ m à tro n g đó không có sự phân chia th àn h các khu vực khác nhau , với nhữ ng tín h chất khác nhau. Người ta thường định nghĩa m ột cách đơn giản, hệ đổng th ể là hệ có tính, chất giống •nlĩaũ tại các điểm khác nhau của hệ (đồng n h ấ t hệ đồng
P ha này có th ể là pha đơn (ví dụ, nước nguyên chất) hay là pha h ỗ n hợp (ví dụ, dung dịch nước - rượu). Hỗn hợp các chất khí luôn luôn là đồng thể. - H ệ dị th ể là hệ được tạo thành bởi nhiễu pha khác nhau. Ví dụ, hệ nước - nước đá (nếu nước đá gổm nhiều khối nhỏ thì tập hợp các khối nhỏ ấy tạo thành một pha duy nhất). 2.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỆ • Nhiệt động học (kinh điển) chỉ xét các tính chất vĩ mô tức là các tính chất tổng hợp chung của toàn hệ như áp suất, nhiệt độ, th ể tích v.v. Các đại lượng đặc trư ng cho các tính chất của hệ được phân làm hai loại: - Các dại lượng d u n g độ là các đại lượng phụ thuộc vào lượng chất như khối lượng, thể tích... Các đại lượng này có tính chất cộng (cộng tính) giá trị của chúng đối với toàn hệ bằng tổng giá trị của chúng ứng với từng phần của hệ: X = Xj + Xi + ... - Đ ại lư ợn g cường d ộ là các đại V, lượng không phụ thuộc vào lượng chất V = V, + V, như nhiệt độ T, áp suất p, khối lượng riêng d, ... Các đại lượng này không có tính chất cộng, ỏ đây ta co': X = Xj = Xi = ... • Thương sổ của các đại lượng dung độ (dđ) là một đại lượng cường độ hay tích của m ột đại lượng cường độ và một đại lượng dung độ là m ột đại lượng dung độ. khối lương m (dđ) vi d',: Ttó tích V (dà) = khSi u,?ng riêng d (cđ) 19 http://tieulun.hopto.org
• Hệ chỉ có th ể trao đổi các đại lượng dung độ với môi trường ngoài. 2.3. TRẠNG THÁI CÙA HỆ, HÀM TRẠNG THÁI T r ạ n g th á i c ủ a h ệ. Ư ng với một trạ n g thái xác định, hệ có m ột tậ p hợp các tính chất xác định. Đ ể cu thể, ta xét hệ nhiệt động đơn giản n h ấ t tạo bởi m ột ■ ':í -í mol khí lí tưởng đựng tro n g một x H a n h đo'ng kín bàng m ột p it- ______ ______ I II tông. H ình 1.2. Hai trạng thái I và II ứ n g với m ột trạ n g thái xác khác nhau định, khối khí co' m ột tập hợp các tín h ch ất xác định như áp su ất p , n h iệt độ T, th ể tích V,... N ếu thay đổi m ột tro n g các tín h chất ấy thi hệ chuyển sang m ột trạ n g thái khác, với m ột tập hợp các tính chất tương ứng. K hái niệm trạ n g thái như vậy đặc trư n g cho tập hợp tấ t cả các tín h c h ấ t vĩ mô của hệ. H àm tr ạ n g th ái. T ấ t cả các tín h chất hay các đại lượng xác định trạ n g thái của m ột hệ được gọi là c á c đ ạ i lư ợ n g tr ạ n g thái. Với ví dụ được nêu ở trê n thì V, T, p,... là nhữ ng đại lượng trạ n g thái. Các đại lượng trạ n g thái không độc lập đối với nhau m à được liên hệ với nhau bàng nhữ ng phương trìn h toán học được gọi là phương trìn h trạ n g thái hay các phương trìn h nhiệt động học. Như ta đã biết, đối với hệ khí lí tưởng, ba đại lượng p, V, và T được liên hệ với nhau bàng phương trìn h PV = RT được gọi là phương trìn h trạ n g thái của khí lí tưởng, v ì R là m ột hằng số nên hai trong ba đại lượng p, V và T sẽ quyết định giá trị của đại lượng thứ ba. Đại lượng này khi đó giữ vai trò là m ột hàm của hai đại lượng kia, và vỉ vậy được gọi là hàm tr ạ n g th á i trong khi đo' hai đại lượng http://tieulun.hopto.org 20
kia giữ vai trò của các biến số độc lập và do đd được gọi là các b iê n số tr ạ n g th á i. Mỗi đại lượng trạng thái như vậy có thể là một hàm trạng thái nhưng đồng thời cũng có thể là một biến sổ trạn g thái: p = r Ẹ = ffT ,V ) ; V = r | = f(T ,P ) ; PV T = Ỷ = f(P ’ v >' Vỉ các đại lượng trạn g thái co' quan hệ phụ thuộc lẫn nhau nên trạn g thái của m ột hệ co' th ể được xác định bằng tập hợp một số tối thiểu các biến số độc lập mà người ta cẩn biết để cd thể tái thiết được hệ cùng với những tính chất khác nhau của hệ. • Sau này, ta còn thường ntíi đến các hàm trạng thái khác như nội năng u , entanpi H, entrôpi s, ... Chúng đểu ctí một ý nghỉa vật lí xác định liên quan đến trạn g thái của một hệ. Một cách đại cương người ta định nghỉa: Các hàm trạ n g th ái là cá c hàm n h iệt đ ộn g mà giá trị củ a c h ú n g ch ỉ p hụ th u ộ c vào trạ n g th ái của h ệ và tron g cá c q u á trình biến đổi trạ n g th ái bất kì thì biến th iên giá trị củ a ch ú n g ch ỉ p hụ th u ộ c v à o trạn g thái đẩu và trạn g th á i cu ối m à k h ôn g p hụ th u ộ c vào cá ch tiến hành biến đổi tr ạ n g th á i n g h ĩa là k h ô n g p h ụ th u ộ c vào cá c trạ n g th ái tru n g gian. Gọi z là một hàm trạn g thái bất kì, ứng với ti-ạng thái I, z có một giá trị xác định Z ị , ứng với trạ n g thái II, z có một giá trị xác định Z->. Khi hệ chuyển từ trạng thái I sang trạng thái II thì độ biến thiên AZ luôn luôn được xác định bàng hệ thức AZ = Zt - Zị. 21 http://tieulun.hopto.org