Hóa lý 1 nhiệt hóa học p1

HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF FOOD INDUSTRY FACULTY OF CHEMICAL ENGINEERING Nguyễn Học Thắng Khoa Công nghệ Kĩ thuật Hóa học Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp HCM Điện thoại: (+84) 0906692166 Email: thangnh@cntp.edu.vn GIỚI THIỆU MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA  Khái niệm hệ: hệ gồm hay nhiều vật thể, vật thể gồm hay nhiều tiểu phân  Tùy thuộc vào chất, hệ phân chia thành: Hệ mở (hệ hở): có trao đổi chất lượng (A, Q) với MT Hệ đóng (hệ kín): không trao đổi chất, có trao đổi lượng với MT Hệ cô lập: không trao đổi chất lượng (A, Q), không tương tác với MT Hệ đoạn nhiệt: không trao đổi chất nhiệt (A, Q) với MT, trao đổi công, hệ cô lập đoạn nhiệt Hệ đồng thể: bề mặt phân chia pha, tính chất hệ không đổi vị trí hệ Hệ dị thể: có bề mặt phân chia pha Hệ nhiệt động (hệ cân bằng): tính chất vĩ mô hệ không thay đổi theo thời gian môi trường không tác động đến hệ MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA STT Các loại hệ Trao đổi với môi trường Chất Tính chất khác Năng lượng Nhiệt công 01 Hệ mở (hệ hở) Có thể Có thể Có thể 02 Hệ đóng (hệ kín) Không Có thể Có thể 03 Hệ cô lập Không Không Không 04 Hệ đoạn nhiệt Không Không Có thể 05 Hệ đồng thể bề mặt phân chia pha, tính chất hệ không đổi vị trí hệ 06 Hệ dị thể có bề mặt phân chia pha 07 Hệ nhiệt động (hệ cân bằng) tính chất vĩ mô hệ không thay đổi theo thời gian môi trường không tác động đến hệ Không tương tác với MT Hệ cô lập đoạn nhiệt MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA  Trạng thái nhiệt động Trạng thái cân nhiệt động: trạng thái mà tính chất đặc trưng hệ không thay đổi theo thời gian; T – cân nhiệt, P – cân cơ, ni – cân hóa Quá trình nhiệt động: biến đổi trạng thái nhiệt động hệ (1 hay nhiều thông số) => trình Nếu sau biến đổi hệ trở trạng thái đầu => trình kín hay chu trình Quá trình gồm: tự xảy ra, không tự xảy ra, thuận nghịch, bất thuận nghịch MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA  Năng lượng Thể mức độ chuyển động vật chất Trong trọng trường: động năng, năng, nội Nội (U) hàm trạng thái hoàn toàn xác định trạng thái, không phụ thuộc cách thức đạt đến trạng thái xác định độ biến thiên: ∆U = U2 – U1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA  Công nhiệt: hai hình thức truyền lượng hệ, hàm trạng thái, phụ thuộc vào cách tiến hành trình - Nhiệt (Q): truyền lượng liên quan đến dao động nhiệt hỗn loạn tiểu phân - Công (A): truyền lượng gắn liền với dao động theo hướng xác định tiểu phân A Q phụ thuộc vào cách tiến hành trình, qui ước dấu: Nhiệt Công Hệ sinh Q0 Hệ nhận Q>0 A ∆U = 0, nội bảo toàn NGUYÊN LÝ I CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC Biểu thức toán học nguyên lý I Với trình vô nhỏ: dU = δQ - δA  Hệ sinh công thể tích: (công giãn nở hay công học): δA = pdV F=p  Công quãng đường nhỏ: dA = Fdr S  Xét hệ hình bên: dr V 𝑑𝐴 = 𝐹𝑑𝑟 = => => 𝐹 𝑆 𝑑𝑟 𝑆 = 𝑝 𝑑𝑉 𝑉2 𝐴 = 𝑉 𝑝 𝑑𝑉 ⇒ 𝑑𝑈 𝑉2 ∆𝑈 = 𝑄 − 𝑉 𝑝 𝑑𝑉 = 𝛿𝑄 − 𝑝 𝑑𝑉 NGUYÊN LÝ I CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC Áp dụng nguyên lý I vào số trình  Quá trình đẳng tích (V = const): A = 0, QV = ∆U  Quá trình đẳng áp (p = const): ∆U = Q – A => Q = ∆U + A -> Qp = ∆U + Ap = ∆U + p∆V = ∆(U+pV) = ∆H H = U + pV gọi enthalpy, hàm trạng thái Với khí lý tưởng, p = const, T = const -> ∆H = ∆U + ∆(pV) = ∆U + ∆ (nRT) = ∆U + RT∆n Nhiệt nhận trình đẳng áp biến thiên hàm trạng thái enthalpy NHIỆT DUNG Các loại nhiệt dung  Nhiệt dung nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ vật lên oC  Nhiệt dung riêng (cal/g.độ; J/g.độ): nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ đơn vị khối lượng lên độ  Nhiệt dung mol (cal/mol.K; J/mol.K): hay nhiệt dung phân tử nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ mol chất lên độ  Nhiệt dung trung bình: 𝑪 = 𝑸 𝑻𝟐 −𝑻𝟏 Q nhiệt lượng cần cung cấp để nâng nhiệt độ vật từ T1 đến T2 mà không xảy biến đổi chất hay biến đổi pha NHIỆT DUNG Các loại nhiệt dung  Nhiệt dung thực: 𝑪 = 𝜹𝑸 𝒅𝑻 Nhiệt lượng Q: 𝑇2 𝑄= 𝐶𝑑𝑇 = 𝐶 (𝑇2 − 𝑇1 ) 𝑇1 𝑇2 ⇒𝐶= 𝐶𝑑𝑇 𝑇2 − 𝑇1 𝑇1 Tùy theo điều kiện tiến hành, nhiệt dung chia thành nhiệt dung đẳng áp nhiệt dung đẳng tích   𝜹𝑸 𝝏𝑯 Nhiệt dung đẳng áp: 𝑪𝒑 = = 𝒅𝑻 𝒑 𝝏𝑻 𝒑 𝜹𝑸 𝝏𝑯 Nhiệt dung đẳng tích: 𝑪𝑽 = = 𝒅𝑻 𝑽 𝝏𝑻 𝑽 NHIỆT DUNG Các loại nhiệt dung  Mối quan hệ Cp CV H = U + pV 𝜹𝑸 𝝏𝑯 𝑪𝒑 = = 𝒅𝑻 𝒑 𝝏𝑻 Định luật Joule: 𝑪𝑽 = 𝝏 = 𝑼 + 𝒑𝑽 𝝏𝑻 𝒑 𝝏𝑼 𝝏𝑻 𝒑 = 𝒑 𝝏𝑼 = 𝝏𝑻 𝝏 + 𝒑𝑽 𝝏𝑻 𝒑 𝝏𝑼 𝝏𝑻 𝑽 Áp dụng cho mol khí lý tưởng: pV = RT 𝝏 𝝏 → 𝒑𝑽 𝒑 = 𝑹𝑻 = 𝑹 → 𝑪𝒑 − 𝑪𝒗 = 𝑹 𝝏𝑻 𝝏𝑻 d: vi phân toàn phần 𝜕 : vi phân riêng phần Hàm trạng thái thông số trạng thái δ: vô nhỏ (hàm số qt công nhiệt) } 𝒑 NHIỆT DUNG Sự phụ thuộc nhiệt dung vào nhiệt độ  Do p ảnh hưởng đến C => xét ảnh hưởng T đến C  Tính toán nhiệt lượng cần cung cấp hay tính nhiệt độ cuối qt pứ Cp = a0 + a1T + a2T2 + a-2T-2 = Σai.Ti (i = 0, 1, 2, -2)  Với a0, a1, a2, … hệ số thực nghiệm (tra sổ tay)  Tại nhiệt chuyển pha, Cp không xác định  Cp rắn thay đổi rõ trạng thái khác  Cp lỏng lớn Cp rắn khí Ví dụ với nước (cal/mol.độ): Cp,l = 18,11; Cp,r = 9,1; Cp,k= 7,8 NHIỆT DUNG Sự phụ thuộc nhiệt dung vào nhiệt độ  Bài tập (ví dụ 2.2): mol khí H2 (xem khí lý tưởng) có Cv = 1,5R thực trình biến đổi từ nhiệt độ 25oC, áp suất atm sang nhiệt độ 70oC, áp suất atm Tính ∆H ∆U trình biến đổi NHIỆT DUNG Sự phụ thuộc nhiệt dung vào nhiệt độ  Chia qt biến đổi thành qt đơn giản sau: mol H2, 25oC, 1atm ∆U1, ∆H1 mol H2, 25oC, 2atm ∆U2, ∆H2 mol H2, 70oC, 2atm  QT 1: T = const (khí lý tưởng)=> ∆U1 = cal Và ∆H1 = ∆U1 + ∆p.V = ∆U1 + R.T.∆n = cal  QT2: p= const => ∆H2 = Qp = Q 𝑇2 𝑄= 𝐶𝑝 𝑑𝑇 = 𝐶𝑝 ∆𝑇 = 𝐶𝑉 + 𝑅 ∆𝑇 = 2,5 × 1,987 × 45 = 223,54 𝑐𝑎𝑙 𝑇1 A = p.∆V = n.R.∆T = 1×1,987×45=89,42 cal ∆U2 = Q – A = 223,54 – 89,42 = 134,12 cal KL: ∆U = ∆U1 + ∆U2 = 134,12 cal ∆H = ∆H1 + ∆H2 = 223,54 cal ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF  Xét phản ứng: aA + bB = dD ∆𝐻𝑝ứ = 𝑠𝑖𝑛ℎ ∆𝐻𝑐𝑢ố𝑖 − 𝑠𝑖𝑛ℎ ∆𝐻đầ𝑢 = d.∆HD - (a∆HA + b∆HB)  Lấy đạo hàm ∆Hpứ theo nhiệt độ: 𝜕∆𝐻 = ∆𝐶𝑝 𝜕𝑇 𝑝  Lấy tích phân: 𝑇2 ∆𝐻𝑝ứ = 𝑇1 ∆𝐻𝑝ứ 𝑇2 + ∆𝐶𝑝 𝑑𝑇 𝑇1 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF  Trong khoảng nhiệt độ nhỏ số phản ứng, giá trị ∆Cp nhỏ (khoảng vài chục cal) xem ∆Cp ≈ ∆HT = const, không phụ thuộc vào nhiệt độ  Trong khoảng nhiệt độ tương đối hẹp, xem ∆Cp ≈ const, đó: ∆HT2 = ∆HT1 + ∆Cp(T2 - T1) CÁC BÀI TẬP VÍ DỤ  BÀI TẬP 1: Tính biến thiên nội làm bay 10g nước 200C Chấp nhận nước khí lý tưởng bỏ qua thể tích nước lỏng Nhiệt hóa nước 200C 2451,824 J/g CÁC BÀI TẬP VÍ DỤ  Nhiệt lượng cần cung cấp để làm hóa 10g nước là: Q = m.λ = 10 x 2451,824 = 24518,24 (J)  Công sinh trình hóa là: A = P.∆V = P(Vh - Vl) = PVh = nRT = mRT/M = 10 x 8,314 x 293/18 = 1353,33 (J)  Biến thiên nội là: ∆U = Q – A = 23165 (J) CÁC BÀI TẬP VÍ DỤ  Cho 450g nước ngưng tụ 1000C áp suất không đổi atm Nhiệt hóa nước nhiệt độ 539 cal/g Tính A, Q ΔU trình? CÁC BÀI TẬP VÍ DỤ CÁC BÀI TẬP VÍ DỤ  Cho phản ứng xảy áp suất không đổi: 2H2 + CO = CH3OH (k) nhiệt tạo thành tiêu chuẩn 298K CO CH3OH (k) -110,5 -201,2 kJ/mol Nhiệt dung mol đẳng áp chất hàm nhiệt độ: Cp(H2) = 27,28 + 3,26.10-3T (J/mol.K) Cp(CO) = 28,41 + 4,1.10-3T (J/mol.K) Cp(CH3OH) (k) = 15,28 + 105,2.10-3T (J/mol.K)  Tính ΔH0 phản ứng 298 500K? CÁC BÀI TẬP VÍ DỤ BÀI TẬP 2.1->2.13 ... đổi pha NHIỆT DUNG Các loại nhiệt dung  Nhiệt dung thực: