ENTROPY và ĐỊNH LUẬT THỨ HAI của NHIỆT ĐỘNG học

10/19/2018 CHƯƠNG ENTROPY VÀ ĐỊNH LUẬT THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC TS PHAN THỊ ANH ĐÀO Thời gian học: Tuần Chapter 10: Chemistry for Engineering Students 10.2 – 10.7 NỘI DUNG 5.1 Sự tự phát 5.1.1 Chiều hướng biến đổi tự nhiên 5.1.2 Các trình tự phát 5.1.3 Enthalpy tự phát 5.2 Entropy 5.2.2 Định nghĩa entropy 5.2.3 Đánh giá biến đổi entropy trình 5.3 Nguyên lý thứ hai nhiệt động học 5.3.1 Nguyên lý thứ hai nhiệt động học 5.3.2 Ý nghĩa áp dụng 5.4 Nguyên lý thứ ba nhiệt động học 5.5 Năng lượng tự Gibbs 5.5.1 Năng lượng tự biến đổi tự phát 5.5.2 Năng lượng tự cơng có ích 5.6 Năng lượng tự phản ứng hóa học 5.6.1 Cách tính tốn ΔGo phản ứng 5.6.2 Ý nghĩa ΔGo phản ứng 10/19/2018 SỰ TỰ PHÁT (SPONTANEITY) Q trinh tự diễn biến Q trình khơng tự diễn biến Q trình sau có xảy tự phát khơng? Nhận xét 10/19/2018 CEMENT- vật liệu sinh học Phản ứng ngược lại tự diễn hay không? 10.10 Hãy xác định xem trình tự phát hay khơng tự phát Với q trình khơng tự phát, mơ tả q trình tự phát theo chiều ngược lại (a) Một nhóm cổ động viên tạo nên kim tự tháp người (b) Muối ăn tan vào nước (c) Một tách cà phê lạnh phịng trở nên nóng bốc (d) Các phân tử nước khơng khí chuyển thành khí hydrogen khí oxygen (e) Một người bóc cam, bạn ngửi thấy mùi lan khắp phịng 10/19/2018 TIÊU CHUẨN DỰ ĐỐN CHIỀU TỰ PHÁT CỦA MỘT QUÁ TRÌNH LÀ GÌ? ENTANPI VÀ SỰ TỰ PHÁT Nguyên lý I câu trả lời? Quan điểm cho phản ứng tỏa nhiệt DH: trình bất thuận nghịch (quá trình tự diễn biến) *Entropi đặc trưng cho mức độ hỗn loạn tiểu phân hệ (ý nghĩa vật lý entropi) Entropy, S đặc trưng cho mức độ hỗn loạn tiểu phân hệ Khuếch tán khí Tăng entropi, DS>0 DS>0 • Biến đổi tự nhiên kèm theo tăng entropy 14 10/19/2018 Đặc trưng định lượng mức độ hỗn loạn hệ - đại lượng xác suất nhiệt động học W R S = kBlnW = ln W N •Với kB : số Boltzmann •R: số khí •N: số Avogadro 15 Đại lượng xác suất nhiệt động học W W=1 W=2 10/19/2018 Giả sử có hai hệ thống, hệ thống gồm hai phần mơ tả hai hình trịn, có tổng lượng 20J Hệ thống có entropy lớn a A>B c A=B b A0 10/19/2018 Một số q trình tăng entropi tự nhiên Sự hịa tan NaCl (r) vào nước Sự tan chảy đá 10 10/19/2018 NGUYÊN LÝ THỨ III NHIỆT ĐỘNG HỌCĐịnh luật Nernst • “Entropi nguyên chất dạng tinh thể hồn hảo nhiệt độ khơng tuyệt đối khơng, S=0” Xác định giá trị entropi tuyệt đối cho đơn chất hay hợp chất nhiệt độ 21 Entropi tiêu chuẩn Entropi tiêu chuẩn chất thường xác định cho mol chất trạng thái chuẩn, tương ứng áp suất 1atm nhiệt độ T (nhiệt độ 25 oC) Ký hiệu: S0298 S0 Đơn vị: J/mol.K cal/mol.K 22 11 10/19/2018 Nhận xét entropi • Giá trị entropi tuyệt đối, S ln dương • Phân tử phức tạp S lớn • Đối với chất bất kỳ: S rắn < S lỏng < S • Nhiệt độ tăng làm S tăng • Áp suất tăng làm S giảm 23 Cho biết so sánh entropi tiêu chuẩn, 250C cặp sau đúng: a) NaNO3(r) < NaNO3(aq); CH4(k) < CH3CH3(k) PCl3(k) < PCl5(k) b) NaNO3(r) < NaNO3(aq); CH4(k) > CH3CH3(k) PCl3(k) > PCl5(k) c) NaNO3(r) < NaNO3(aq); CH4(k) < CH3CH3(k) PCl3(k) > PCl5(k) d) NaNO3(r) < NaNO3(aq); CH4(k) > CH3CH3(k) PCl3(k) < PCl5(k) 24 12 10/19/2018 Cho biết dấu DS hệ trình sau: a) Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng DS0 d) Hịa tan muối vào nước e) Giữ nguyên nhiệt độ, nén khơng khí từ atm đến atm DS0 Giả sử q trình xảy hệ lập 25 Cho biết dấu DS hệ trình sau: DS0 c) 3O2 (k)  2O3 (k) DS0 Giả sử trình xảy hệ cô lập 26 13 10/19/2018 Không thực tính tốn nào, dự đốn xem độ thay đổi entropy dương hay âm phản ứng sau xảy theo chiều viết (a) CH3OH(l) + 3/2 O2(g)  CO2(g) + H2O(g) (b) Br2(l)+ H2(g)  HBr(g) (c) Na(s) + ½ F2(g)  NaF(s) (d) CO2(g) + H2(g)  CH3OH(l) (e) NH3(g)  N2(g) + H2(g) e) Biến thiên entropi phản ứng hóa học DS0298 (pứ) = S0298 (sản phẩm) - S0298 (tác chất) DS: J/K cal/K S: J/mol.K cal/mol.K S: J/mol.K cal/mol.K có kể hệ số hợp thức phương trình phản ứng • Ví dụ: Tính biến thiên entropy tiêu chuẩn phản ứng sau 25oC: • N2 (k) + 3H2 (k)  2NH3 (k) S0(J.mol-1.K-1) 192 131 193 ĐS: -199 J/K 28 14 10/19/2018 Theo em, trình sau tăng hay giảm entropi, tỏa nhiệt hay thu nhiệt có xảy tự phát khơng? A Nước đông đặc 00C B Hơi nước ngưng tụ thành sương đêm lạnh TRẢ LỜI: Giảm entropi, tỏa nhiệt xảy tự phát Nhiệt mà hệ tỏa làm cho entropi môi trường tăng lên Q trình tỏa nhiệt làm tăng entropi mơi trường xung quanh ngược lại 15 10/19/2018 16 10/19/2018 Yếu tố entanpi + Yếu tố entropi THẾ ĐẲNG ÁP GIPP (NĂNG LƯỢNG TỰ DO GIBB) 34 17 10/19/2018 NĂNG LƯỢNG TỰ DO GIBBS Bỏ ký hiệu sys Đặt G=H-TS (Năng lượng tự Gibb) Biến thiên lượng tự Gibbs trình xảy nhiệt độ áp suất không đổi tỉ lệ với giá trị âm độ biến đổi entropi vũ trụ Tiêu chuẩn tự diễn biến giới hạn trình Trong hệ kín, điều kiện đẳng nhiệt-đẳng áp, trình tự diễn biến kèm theo giảm đẳng áp (DG DH > DS < DH > DH < DS > DS < T > T* T < T* T < T* T > T* DG < nhiệt độ phản ứng xảy tự phát nhiệt độ DG > phản ứng xảy theo chiều ngược lại nhiệt độ T > T* DG phản ứng xảy theo chiều ngược lại nhiệt độ T < T* DG T* 37 DG > phản ứng xảy theo chiều ngược lại Dự đóan dấu DG, dựa vào dấu DH DS aA + bB  cC + dD DG(pứ) = DH - TDS DH < DS > DG < nhiệt độ DH > DS < DG > nhiệt độ 38 19 10/19/2018 Hãy biện luận ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ đến tính tự phát phản ứng sau atm (a) Al2O3(s) + Fe(s)  Al(s) + Fe2O3(s) ΔH0 = +851.5 kJ; ΔS0 = +38.5 J/K (b) N2H4(l)  N2(g) + H2(g) ΔH0 = -50.6 kJ; ΔS0 = 0.3315 kJ/K (c) SO3(g)  SO2(g) + ½ O2(g) ΔH0 = 98.9 kJ; ΔS0 = +0.0939 J/K Câu 3.19 Trộn lẫn mol khí He (0oC, 1atm) với mol khí Ne (0oC, atm) thu hỗn hợp (He, Ne) (0oC, 1atm) Q trình có: A DH = 0, DS > 0, DG < B DH = 0, DS < 0, DG > C DH = 0, DS = 0, DG = D DH < 0, DS > 0, DG < 40 20 10/19/2018 • Câu 3.11 Trong điều kiện đẳng nhiệt, đẳng áp, phản ứng có đặc điểm sau: • (1) DH>0, DS0 lớn, DS>0, nhiệt độ thấp • (4) DH>0, DS>0, DH0, DGo0, DGo>0, phản ứng không tự xảy nhiệt độ thường • C DSo