SKKN Giảng dạy chuyên đề nhiệt động học môn Vật lý lớp 10

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ĐỀ TÀI: "GIẢNG DẠY CHUYÊN ĐỀ NHIỆT ĐỘNG HỌC MÔN VẬT LÝ LỚP 10" PHẦN I: MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học của sáng kiến kinh nghiệm cần nghiên cứu: Cơ sở lý luận Nhiệt động học là một khoa học nghiên cứu về sự biến hoá dạng năng lượng này thành dạng năng lượng khác và thiết lập các định luật của sự biến hoá đó. Hiện nay nhiệt động học nghiên cứu một số lớn những hiện tượng vật lý và hoá học kèm theo sự biến đổi năng lượng. Những nghiên cứu bằng phương pháp nhiệt động học không những chỉ cho phép đưa đến sự cân bằng của năng lượng mà còn xác định chiều hướng và giới hạn mà một quá trình có thể xảy ra trong những điều kiện nhất định. Như vậy nhiệt động học cho phép điều khiển theo ý muốn những quá trình lý, hoá học trong sản xuất. Nhiệt động hoá học nghiên cứu sự biến hoá của các dạng năng lượng khác nhau trong phản ứng hoá học, các quá trình hoà tan, bay hơi, kết tinh, hấp phụ.v.v Nhiệt động hoá học sử dụng các quan điểm và các kết luận của nhiệt động học lý học. Trong nhiệt động hoá học người ta chỉ xét trạng thái đầu và trạng thái cuối của các hệ hoá học ở trong quá trình biến hoá của chúng và dự đoán biến thiên năng lượng của những quá trình độc lập với cách biến đổi tốc độ phản ứng và bản chất của những sản phẩm trung gian được tạo nên trong phản ứng. Cơ sở thực tiễn Trong những năm qua, đề thi học sinh giỏi Quốc gia thường hay đề cập tới phần nhiệt động học dưới nhiều góc độ khác nhau. Tuy nhiên, trong sách giáo khoa phổ thông , do điều kiện giới hạn về thời gian nên những kiến thức trên chỉ được đề cập đến một cách sơ lược. Qua thực tiễn giảng dạy đội tuyển học sinh giỏi Quốc gia nhiều năm tôi đă nghiên cứu, lựa chọn và hệ thống những kiến thức lí thuyết cơ bản, trọng tâm; sưu tầm những bài tập điển hình để soạn chuyên đề “Chiều hướng diễn biến của quá trình hóa học” đề cập về vấn đề nhiệt động học giúp cho học sinh hiểu sâu và vận dụng được tốt những kiến thức đã học vào việc giải các bài tập, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập môn Hóa học. 2. Mục đích của sáng kiến kinh nghiệm Xây dựng hệ thống câu hỏi và bài tập phần “Nhiệt động học”dùng cho học sinh lớp chuyên Hoá học ở bậc THPT giúp học trò học tốt hơn và chuẩn bị tốt hơn cho các kỳ thi học sinh giỏi Hóa học cả về lý thuyết – bài tập – phương pháp giải, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập môn Hóa học. 3. Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu Đề tài “NHIỆT ĐỘNG HỌC” tập trung hệ thồng lí thuyết và sưu tầm các bài tập điển hình có liên quan đến: 1. ENTROPI (S) 2. NGUYÊN LÍ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 3. SỰ BIẾN THIÊN S TRONG QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI TRẠNG THÁI CỦA CHẤT 4. ∆ S TRONG QUÁ TRÌNH GIÃN NỞ ĐẲNG NHIỆT KHÍ LÍ TƯỞNG 5. SỰ BIẾN THIÊN ENTROPI CỦA CHẤT NGUYÊN CHẤT THEO NHIỆT ĐỘ 6. ENTROPI TUYỆT ĐỐI 7. SỰ BIẾN THIÊN ENTROPI TRONG PHẢN ỨNG HOÁ HỌC 8. THẾ NHIỆT ĐỘNG 9. Ý NGHĨA VẬT LÍ CỦA ∆ G 10. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HÀM G 11. TÍNH ∆ G CỦA MỘT SỐ QUÁ TRÌNH: Đối tượng nghiên cứu là các khóa học sinh đội tuyển dự thi học sinh giỏi quốc gia từ năm 2009 đến năm 2011 4. Kế hoạch nghiên cứu Sáng kiến kinh nghiệm này tôi đã nghiên cứu giảng dạy bồi dưỡng học sinh đội tuyển dự thi học sinh giỏi quốc gia, tại trường THPH chuyên Hưng Yên từ năm học 2009-2010. 5. Phương pháp nghiên cứu a). Nghiên cứu tài liệu b). Thực nghiệm (giảng dạy), đây là phương pháp chính 6. Thời gian hoàn thành 3 năm 7. Cấu trúc của sáng kiến kinh nghiệm Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, sáng kiến kinh nghiệm bao gồm các phần chính sau đây: I.CƠ SỞ LÍ THUYẾT II. BÀI TẬP VẬN DỤNG PHẦN II: NỘI DUNG I. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1. ENTROPI (S) - Trong sự biến đổi thuận nghịch vô cùng nhỏ ở T = const hệ trao đổi với môi trường một lượng nhiệt δQ TN thì sự biến thiên entropi trong quá trình này là: d S = T Q TN δ S là hàm trạng thái (J/mol.K) - Nếu sự biến đổi là bất thuận nghịch thì d S > T Q TN δ - Vì là hàm trạng thái nên khi chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 bằng biến thiên thuận nghịch hay bất thuận nghịch thì S 2 - S 1 = ∆S = ∫ 2 1 T Q TN δ (∆S TN = ∆S BTN ) 2. NGUYÊN LÍ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC dS ≥ T Q δ - Trong hệ cô lập δQ = 0. nên: + dS = 0: trong hệ cô lập entropi của hệ không đổi nếu xảy ra quá trình thuận nghịch. + dS > 0 : trong hệ cô lập, quá trình tự xảy ra (BTN) theo chiều tăng entropi của hệ và tăng cho tới khi đạt giá trị max thì hệ sẽ đạt trạng thái cân bằng. * Entropi là thước đo độ hỗn độn của hệ: Độ hỗn độn của 1 hệ hay 1 chất càng lớn khi hệ hay chất đó gồm những hạt và sự dao động của các hạt càng mạnh (khi liên kết giữa các hạt càng yếu). VD: S < S < S S < S < S H 2 (k) O 2 (k) O 3 (k) H 2 O(r) H 2 O (l) H 2 O (h) ⇒ S là 1 đại lượng dung độ. 3. SỰ BIẾN THIÊN S TRONG QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI TRẠNG THÁI CỦA CHẤT Khi chất nguyên chất nóng chảy hoặc sôi ở P = const thì: T = const ⇒ ∆S = ∫ 2 1 T Q δ = T H∆ ∆H = nhiệt biến thiên trạng thái = L n/c hoặc L h 4. ∆S TRONG QUÁ TRÌNH GIÃN NỞ ĐẲNG NHIỆT KHÍ LÍ TƯỞNG Xét n mol khí lí tưởng giãn nở thể tích từ V 1 → V 2 ở t o = const. Vì nội năng của khí lí tưởng chỉ phụ thuộc nhiệt độ nên trong sự biến đổi này: ∆U = Q TN + W TN = Q BTN + W BTN = 0 ⇒ Q TN = - W TN = nRT. ln 1 2 V V ( = -(- P. ∆V) = dV V nRT . 2 1 ∫ ). T = const ⇒∆S = T Q TN = nRln 1 2 V V = n.R.ln 2 1 P P 5. SỰ BIẾN THIÊN ENTROPI CỦA CHẤT NGUYÊN CHẤT THEO NHIỆT ĐỘ - Quá trình P = const: Đun nóng 1 chất nguyên chất từ T 1 → T 2 , không có sự chuyển pha: ∆S = ∫ 2 1 T T TN T Q δ Với δQ = δQ P = dH = n.C P .dT ∆S = T dT Cn T T P 2 1 ∫ * Trong khoảng nhiệt độ hẹp, coi C P = const ⇒ ∆S = n.C P .ln 1 2 T T - Quá trình: V = const ⇒ ∆S = n .C V .ln 1 2 T T 6. ENTROPI TUYỆT ĐỐI - NGUYÊN LÍ 3 CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC - Entropi của chất nguyên chất dưới dạng tinh thể hoàn chỉnh ở 0(K) bằng 0: S (T = 0) = 0 * Xuất phát từ tiên đề trên ta có thể tính được entropi tuyệt đối của các chất ở các nhiệt độ khác nhau. VD: Tính S của 1 chất ở nhiệt độ T nào đó, ta hình dung chất đó được đun nóng từ 0(K) → T(K) xét ở P=const. Nếu trong quá trình đun nóng có sự chuyển pha thì: ∆S = ∆S T - ∆S (T = 0) = S T = ∑ = ∆ 5 1i i S ⇒ S T = T dT Cn T L n T dT Cn T L n T dT Cn T T hP S S T T lP nc nc T rP S S nc nc )()( 0 )( 1 ∫∫∫ ++++ Giá trị entropi được xác định ở P = 1 atm = const và ở nhiệt độ T nào đó được gọi là giá trị entropi chuẩn, kí hiệu là S 0 T , thường T = 298K → S 0 298 7. SỰ BIẾN THIÊN ENTROPI TRONG PHẢN ỨNG HOÁ HỌC + Khi phản ứng thực hiện ở P = const, T = const thì: ∆S = ΣS(sp) - ΣS(t/g) + Nếu ở điều kiện chuẩn và 25 0 C thì: ∆S 0 298 = ΣS 0 298 (sp) - ΣS 0 298 (t/g) + Vì S của chất khí >> chất rắn, lỏng nên nếu số mol khí sản phẩm (sp) > số mol khí tham gia thì ∆S > 0 và ngược lại. Còn trong trường hợp số mol khí ở 2 vế bằng nhau hoặc phản ứng không có chất khí thì ∆S có giá trị nhỏ. 8. THẾ NHIỆT ĐỘNG ∆Scô lập = ∆S hệ + ∆S mt ≥ 0 8.1. Thế đẳng áp, đẳng nhiệt G (năng lượng Gibbs) Xét hệ xảy ra sự biến đổi ở P, T đều không đổi trong quá trình này môi trường nhận của hệ một nhiệt lượng ∆H mt do hệ toả ra → ∆H mt = - ∆H hệ = - ∆H → ∆S mt = - T H∆ + Điều kiện tự diễn biến của hệ: → ∆S cô lập = ∆S hệ - T H∆ > 0 → ∆H – T. ∆S < 0 + Hệ ở trạng thái cân bằng khi ∆H – T. ∆S = 0 + Đặt G = H – TS ⇒ ở nhiệt độ, P không đổi thì quá trình xảy ra theo chiều có ∆G = ∆H – T. ∆S < 0 Và đạt tới trạng thái cân bằng khi ∆G = 0. 8.2. Thế đẳng tích, đẳng nhiệt F (Năng lượng Helmholtz) Nếu hệ biến đổi ở điều kiện T, V không đổi ⇒ nhiệt đẳng tích mà môi trường nhận của các hệ là ∆U mt → ∆S mt = - T U mt ∆ → điều kiện tự diến biến của hệ trong quá trình đẳng nhiệt, đẳng tích là : ∆F = ∆U – T. ∆S < 0 Và đạt trạng thái cân bằng khi ∆F = 0 Trong đó : F = U – TS Vì H = U + PV → G = H – TS = U –TS + PV → G = F + PV + Đối với quá trình T,P = const → ∆G = W’max + Đối với quá trình T, V = const → ∆S = W’max TÓM LẠI : * Quá trình đẳng áp: P = const - Công: δWP = - P.dV = -n.R.dT → WP = - P. ∆V = - nR∆T - Nhiệt: δQP = dH = n. P C .dT → QP = ∆H = n. dTC T T P . 2 1 ∫ - Nội năng: dU = δQ + δW → ∆U = ∆H – P. ∆V = ∆H – n.R. ∆T - Entropi: dS ≥ T Q TN δ → ∆S ≥ ∫ 2 1 T Q TN δ ⇒ ∆S TN = T dT Cn T T P 2 1 ∫ = TdCn T T P ln 2 1 ∫ Nếu P C = const → ∆S TN = n. P C .ln 1 2 T T * Quá trình đẳng tích - Công: δW V = - P.dV = 0 → W V = 0 - Nhiệt: δQ V = dU V = n. V C .dT ⇒ Q V = ∆U V = dTnC T T V 2 1 ∫ Nếu V C = const →Q V = n. V C .∆T - Nội năng: ∆U V = Q V + W’ - Entropi: ∆S ≥ T Q V = = ∫ T dT Cn T T V 2 1 TdCn T T V ln 2 1 ∫ ⇒ ∆S ≥ n. V C .ln 1 2 T T ( V C = const) - Entanpi: H = U + PV  dH = dU + P.dV + V.dP = dU + V.dP (dV = 0) ⇒ ∆H = ∆U + V . ∆P * Quá trình đẳng nhiệt - Công: δW T = - PdV = - dV V nRT . ⇒ W T = - 1 2 2 1 1 2 lnlnln 2 1 P P nRT V V nRT V V nRT V dV RTn V V ==−= ∫ - Nhiệt: ∆U T = Q T + W T = 0 ⇒ Q T = - W T = nRT ln 1 2 V V - Nội năng: ∆U T = 0 - Entanpi: ∆H T = ∆U T + ∆(PV) T = ∆U T + nR. ∆T = 0 - Entropi: ∆S TN = nc ncTN T L T Q = hoặc = S h T L * Với quá trình dãn nở khí lí tưởng thuận nghịch ∆S = = −∆ = T WU T Q TN + ∫ T dT Cn V T T 2 1 dV V nRT V V ∫ 2 1 Nếu C V = const → ∆S = n. 1 2 ln T T C V + nRT ln 1 2 V V Vì T = const →∆S = nRT ln 1 2 V V = nRT.ln 2 1 P P * Quá trình đoạn nhiệt - Nhiệt: Q = 0 - Nội năng và công: dU = δQ + δW = δW = -PdV = T dT Cn V T T 2 1 ∫ *Quá trình bất thuận nghịch dU BTN = δW BTN = -P ng .dV = -P 2 .dV ∆U BTN = W BTN = -P ng .(V 2 – V 1 ) = n.C V . ∆T * Quá trình thuận nghịch W = ∆U = n.C V (T 2 - T 1 ) T 1 . V 1 1 − γ = T 2 . V 1 2 − γ → T 2 = T 1 .( 2 1 V V ) γ -1 [...]... 250C l 1,8 103 L/mol v 400C l 3,45 .103 L/mol a) Gi s Ho khụng ph thuc nhit , hóy tớnh Ho v So b) Hóy tớnh cỏc hng s cõn bng Kp v Kx ti 298,15 K; ỏp sut ton phn l 1 atm Bi gii: a) Vi ln Kp(T2 ) H = R Kp (T1 ) 1 1 ữ T1 T2 ln 3, 45 .103 1,8 .103 = H 1 1 298,15 313,15 ữ 8,314 Tớnh c H = 33,67 kJ/mol Vi G = H T S = RTlnK (33,67 ì 103 ) T2 S = 8,314 T2 ln 3,45 103 S = (33, 67 .103 ) +... G0 = H0 T S0 cú * H 10 = 1296 + ( 56) ( 1288) = 64 kJ/mol ; S 10 = 90 + 81 158 = 13 J/mol.K G 1 = 64 298,15 ì 13 10 3 = 67,9 kJ/mol 0 * H 0 = 1292 + ( 56) ( 1296) = 52 kJ/mol ; 2 S 0 = 33 + 81 90 = 42 2 J/mol.K G 2 = 52 298,15 ì ( 42 10 3 ) = 39,5 kJ/mol 0 * H 3 = 1277 + ( 56) ( 1292) = 41 kJ/mol ; 0 S 3 = 220 + 81 ( 33) = 106 J/mol.K G 2 = 41 298,15 ì ( 106 10 3 ) = 9,4 kJ/mol... = RT 586, 75 .103 8,314 ì 298 = 236,8 ; c) H = U + PV = U + nRT K = 101 03 U = H nRT Vi n = 1 2,5 = 1,5 cho U = 143 .103 ( 1,5) ì 8,314 ì 298 = 139 kJ Bi 2 Ti nhit no s chuyn 1 mol nc lng thnh hi nc ỏp sut khớ quyn 1atm l mt quỏ trỡnh t xy ra Bit nhit hoỏ hi 1 mol nc lng bng 40587,80 J v bin thiờn entropi ca s chuyn trng thỏi ny bng 108 ,68 J/K Bi gii G = H TS = 40587,80 T 108 ,68 Ti cõn bng... 298,15 ì (81 .10 3) = 80,15 kJ/mol 0 2 Theo G0 = RT.ln K T hp ln K = G 0 RT H3PO4 + OH H2PO 4 + H2O G 1 0 0 H2O OH + H+ Cho H3PO4 H+ + H2PO 4 ln Ka1 = 2 G a1 = G 10 H H O = 67,9 ( 80,15)= 12,25 kJ/mol 0 0 2 12, 25 .103 8,314 ì 298 Tng t H2PO 4 H+ + HPO 4 2 HPO 4 H+ + PO 4 2 0 H H O 3 Ka1 = 7,9 10 3 = 4,944 G a 2 = 40,5 kJ/mol ; Ka2 = 8,0 10 8 G a 3 = 70,5 kJ/mol ; Ka3 = 4,4 10 13 0... ú G = H T S H = [(2 ì 90,25 103 ) + 0 (2 ì 51,71 103 ) = 77080 J/mol S = [(2 ì 211) + 233 (2 ì 264) = 117 J/mol G = 77080 298 ì 117 = 42214 J/mol v ln K = 42214 8,314 ì 298 = c) Tớnh gn ỳng: 17 Kp = 3,98 10 8 atm v Kp = 4,04 10 3 Pa ln Kp(T2 ) H = R Kp (T1 ) 1 1 ữ T1 T2 ln Kp (475) = 5,545 77080 1 1 ữ+ 8,314 298 475 lnKp(475K) = lnKp(298) Kp = 4,32 10 3 atm hay Kp = 437Pa Bi 4... 0 ,100 8 s mol khớ = PV RT = 0, 635 ì 25 0, 08314 ì 298,15 P (NH3) = P (H2S) = 0,5P (ton phn) P (ton phn) = 0,635 atm = 0,64 mol s mol NH4HS = 1 0,5ì0,64= 0,68 * Nu dung tớch bỡnh 100 L thỡ s mol khớ = s mol NH4HS = 1 0,5 ì 2,56 = 0,28 0, 635 100 = 0, 08314 ì 298,15 2,56 mol khụng cũn cht rn Khi ú 1 mol cht rn chuyn ht thnh 2 mol cht khớ nờn P (ton phn) = nRT V = 2 ì 0, 08314 ì 298,15 = 100 ... S0 = -2220 + 298,15 374,74 .10- 3 = - 2108 ,27 (kJ) U0 = H0 - (PV) = H0 - nRT = -2220 - (-3).8,314.298,15 .10- 3 = -2212,56(kJ) 2) a) Quỏ trỡnh bt thun nghch: - Nhit m h trao i vi mụi trng l QBTN = H0 = -2220 (kJ) 2 - Wtt = - P.dV = -P V = -n(k) RT 1 = 3 8,3145.298,15 = 7436,9(J) - W = 0 b) Quỏ trỡnh thun nghch: - QTN = T S = 298,15 (-374,74) = - 111728,731(J) - Wmax = G = - 2108 ,27(kJ) < 0 : H sinh cụng... 0 10 MT S TNH CHT CA HM G: dG = V.dP SdT ( coi W = 0) 10. 1 S ph thuc ca G vo T: G - Khi P = const T = - S P G = H T S = H + T T G T P GT 2 T2 T - S G T P - G = -H 2 G H d = 2 dT T TT GT 1 1 G = T P G T G H T P = 2 2 T T GT2 T2 = GT1 T1 G H T P = 2 T T T2 G dT 2 T1 T = T1 Nu coi H khụng ph thuc vo nhit thỡ: o o GT G298 1 1 = H o T 298 T 298 10. 2... 273K o o o S = S1 + S2 + So3 + S4 + So 5 ca nc ỏ v nc ca hi nc l (30,2 + 10- 2T) J/molK Bi gii: S1 o CP = 373 773 273 dT Lnc dT Lh dT C P(r ) + + C P (l ) + + C P(h) n T 273 273 T 373 373 T 223 =0,5 273 6004 373 40660 773 2 35,56 ln 223 + 273 + 75,3 ln 273 + 373 +30,2 ln 373 +10 (773 373) = 93,85(J/K) Bi 10 Tớnh s bin thiờn entropi khi trn ln 200g nc 15 oC vi 400g nc 60oC Bit rng... - 7,76 = 14,755 (J/K) ( Quỏ trỡnh gión n ny t xy ra) nRT P 15 1 3 R; 2 CP = 5 R 2 = CP = 5 CV 3 1- 5 1- 3 = = -0,4 5 3 -0,4 T2 = 300 15 = 101 ,55(K) 1 U = W = nCV(T2 - T1) = 1 H = nCP(T2 - T1) = 1 STN = Q = T 3 8,314. (101 ,55 2 5 8,314 2 - 300) = -2474,87(J) (101 ,55 - 300)= - 4124,78(J) 0 d) on nhit Q = 0 on nhit, khụng thun nghch khụng ỏp dng c PT poisson U = W nCV T = -Png V n 3 R(T2 2 3 (T . KINH NGHIỆM ĐỀ TÀI: "GIẢNG DẠY CHUYÊN ĐỀ NHIỆT ĐỘNG HỌC MÔN VẬT LÝ LỚP 10& quot; PHẦN I: MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học của sáng kiến kinh nghiệm cần nghiên cứu: Cơ sở lý luận Nhiệt động học là một. lượng giảng dạy và học tập môn Hóa học. 2. Mục đích của sáng kiến kinh nghiệm Xây dựng hệ thống câu hỏi và bài tập phần Nhiệt động học dùng cho học sinh lớp chuyên Hoá học ở bậc THPT giúp học. phụ.v.v Nhiệt động hoá học sử dụng các quan điểm và các kết luận của nhiệt động học lý học. Trong nhiệt động hoá học người ta chỉ xét trạng thái đầu và trạng thái cuối của các hệ hoá học ở trong