HÓA lý 1 chiều và giới hạn quá trình 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 MỞ ĐẦU Các trình tự xảy không tự xảy  Các trình tự nhiên xảy theo chiều xác định  Quá trình tự xảy trình không đòi hỏi tiêu tốn công (có thể sinh công không sinh công)  Quá trình không tự xảy trình đòi hỏi phải cung cấp công  Trong hệ cô lập có trình tự xảy  Mọi trình tự xảy dẫn đến trạng thái cân bằng, cân bền cân không bền MỞ ĐẦU Quá trình trạng thái cân  Quá trình cân trình qua hàng loạt trạng thái cân hay sai lệch vô bé so với trạng thái cân  Trong trình cân bằng, thông số nhiệt động không thay đổi sai lệch vô bé so với trạng thái cân  Khi sử dụng nguyên lý I nhiệt động học chưa thể tiên đoán chiều cân trình  => bổ sung thêm lý thuyết để giải vấn đề MỞ ĐẦU Quá trình thuận nghịch bất thuận nghịch  Quá trình thuận nghịch (TN) trình mà hệ có khả trở lại trạng thái đầu theo đường qua mà không gây biến đổi hệ môi trường  Đặc trưng quan trọng QTTN: Att = max (cực đại)  QTTN lý tưởng hóa để xây dựng hệ thức nhiệt động học  Trong thực tế, QT QTBTN, có thêm tương tác với môi trường NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY ĐỊNH NGHĨA ENTROPY:  Khi khảo sát QTTN đẳng nhiệt, tỉ số Q/T trình không đổi, phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào đường  Đại lượng Q/T mang tính chất biến thiên hàm trạng thái, gọi entropy (∆S) 𝑄𝑇𝑁 ∆𝑆 = 𝑇  Đơn vị ∆S: cal/mol.K hay J/mol.K NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY TÍNH CHẤT ENTROPY:  Trong QTTN ∆𝑆 = 𝑆2 − 𝑆1 = 𝛿𝑄𝑇𝑁 𝑇  Entropy có tính khuếch độ (phụ thuộc vào lượng chất), có tính cộng tính  Entropy hàm trạng thái có tính liên tục, hữu hạn, đơn trị NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY TÍNH CHẤT ENTROPY:  Trong QT bất kỳ: ∆U = QTN – ATN = QBTN – ABTN Với ATN = max > ABTN QTN > QBTN, đó: 𝛿𝑄 𝛿𝑄 ∆𝑆 ≥ ℎ𝑎𝑦 𝑑𝑆 ≥ 𝑇 𝑇  Đây biểu thức vi phân tổng quát nguyên lý II NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY ÁP DỤNG NGUYÊN LÝ II VÀO TRƯỜNG HỢP HỆ CÔ LẬP:  Trong hệ cô lập, đoạn nhiệt (δQ = 0): ∆𝑆 ≥ ℎ𝑎𝑦 𝑑𝑆 ≥  => Nguyên lý II nhiệt động học: hệ cô lập S tăng O không giảm  Nếu QTTN xảy dS = O hay S = const  Nếu QTBTN xảy ra, dS > O, S hệ tăng lên đến TTCB Smax => QTCB NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY ÁP DỤNG NGUYÊN LÝ II VÀO TRƯỜNG HỢP HỆ CÔ LẬP:  Trong hệ cô lập, đoạn nhiệt (δQ = 0): ∆𝑆 ≥ ℎ𝑎𝑦 𝑑𝑆 ≥ Nếu dS > O (S tăng): trình tự xảy Nếu dS = O d2S < O => Smax: trình đạt TTCB  Lưu ý: - Có thể dùng ∆S thay cho dS - Nếu hệ không cô lập cô lập hệ cách ghép thêm môi trường: ∆Scô lập = ∆Shệ + ∆Smôi trường NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY BIẾN THIÊN ENTROPY CỦA MỘT SỐ QTTN:  Quá trình đẳng áp đẳng tích: 𝛿𝑄𝑇𝑁 𝑑𝑆 = 𝑚à 𝛿𝑄𝑇𝑁 = 𝐶𝑑𝑇 𝑇 𝑇2 ⇒ ∆𝑆 = 𝑇1 Nếu trình đẳng áp: 𝑇2 ∆𝑆 = 𝑇1 Nếu trình đẳng tích: 𝑇2 ∆𝑆 = 𝑇1 𝐶𝑑𝑇 𝑇 𝐶𝑃 𝑑𝑇 𝑇 𝐶𝑉 𝑑𝑇 𝑇 NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY BIẾN THIÊN ENTROPY CỦA MỘT SỐ QTTN:  Quá trình đẳng nhiệt: Trong QTTN đẳng nhiệt, 𝛿𝑄𝑇 𝑄𝑇 ∆𝑆𝑇 = 𝑑𝑆𝑇 = = 𝑄𝑇 = 𝑇 𝑇 𝑇 Các QT chuyển pha QTNC, QTHH, QTTN, đẳng nhiệt, đẳng áp nên áp dụng hệ thức: ∆𝐻𝑇 λ ∆𝑆 = = 𝑇 𝑇 NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY BIẾN THIÊN ENTROPY CỦA MỘT SỐ QTTN:  Quá trình đẳng nhiệt: Với QT KLT, điều kiện đẳng nhiệt, 𝑉2 𝑄𝑇 = 𝑛𝑅𝑇𝑙𝑛 𝑉1 𝑄𝑇 𝑉2 ⇒ ∆𝑆𝑇 = = 𝑛𝑅𝑙𝑛 𝑇 𝑉1 Lưu ý: tính ∆S QTBTN cách phân tích thành giai đoạn thuận nghịch tính tổng: ∆𝑆 = ∆𝑆1 + ∆𝑆2 + ∆𝑆3 + ⋯ NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY VÍ DỤ 3.1:  Một mol nước lỏng 25oC, atm chuyển thành nhiệt độ 100oC, 1atm Tính biến thiên entropy trình biến đổi Biết Cp, H2O = 18 cal/mol.K, nhiệt hóa nước 100oC 539,7 cal/g NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY VÍ DỤ 3.1 mol H2O lỏng, 25oC ∆S1 mol H2O lỏng, 100oC ∆S2 mol H2O hơi, 100oC 𝑇2 373,15 𝐶𝑃 𝑑𝑇 18𝑑𝑇 𝑐𝑎𝑙 ⇒ ∆𝑆1 = = = 4.04 𝑇 𝑇 𝐾 𝑇1 298,15 λℎℎ 18 × 539,7 𝑐𝑎𝑙 ∆𝑆2 = = = 26,03 𝑇 373,15 𝐾 với : mol H2O = 18 g H2O => ∆𝑆 = ∆𝑆1 + ∆𝑆2 = 4.04 + 26,03 = 𝑐𝑎𝑙 30,07 𝐾 NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY BIẾN THIÊN ENTROPY TRONG CÁC PỨHH:  Xét pứ hh: Vì entropy hàm trạng thái nên biến thiên entropy tính tương tự biến thiên enthalpy phản ứng NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY BIẾN THIÊN ENTROPY CỦA MỘT SỐ QTTN:  Trong trình đẳng áp, biến thiên entropy phản ứng đk định: ∆𝑆𝑃Ứ = 𝑆𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚 − 𝑆𝑡á𝑐 𝑐ℎấ𝑡 ⇒ ∆𝑆𝑃Ứ = 𝑐 𝑆𝐶 + 𝑑 𝑆𝐷 − (𝑎 𝑆𝐴 + 𝑏 𝑆𝐵 ) 𝜕∆𝑆𝑃Ứ ⇒ 𝜕𝑇 𝑃 𝜕∆𝑆𝐶 𝜕∆𝑆𝐷 = 𝑐 + 𝑑 𝜕𝑇 𝑃 𝜕𝑇 𝑃 𝜕∆𝑆𝐴 𝜕∆𝑆𝐵 −𝑎 − 𝑏 𝜕𝑇 𝑃 𝜕𝑇 𝑃 NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY BIẾN THIÊN ENTROPY CỦA MỘT SỐ QTTN:  Lấy tích phân thực trình biến đổi từ T1 đến T2, ta có ∆𝑆𝑃Ứ (2) − ∆𝑆𝑃Ứ = 𝑐 𝑆𝐶 + 𝑑 𝑆𝐷 − 𝑎 𝑆𝐴 + 𝑏 𝑆𝐵 = 𝑐 𝑆𝐶 − 𝑎 𝑆𝐴 − 𝑆𝐶 + 𝑑 𝑆𝐷 − 𝑆𝐴 + 𝑏 𝑆𝐵 𝑇2 ⇒ ∆𝑆𝑃Ứ (2) = ∆𝑆𝑃Ứ (1) + 𝑇1 − 𝑆𝐷 − 𝑆𝐵 ∆𝐶𝑃 𝑑𝑇 𝑇2 = ∆𝐶𝑃 𝑙𝑛 𝑇 𝑇1 NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY Ý NGHĨA CỦA ENTROPY:  Ý nghĩa vật lý: Entropy thước đo tính BTN trình, phản ánh khả tự diễn biến trình tự nhiên  Ý nghĩa thống kê: - Các trình xảy tự nhiên kèm theo đặc tính tăng độ hỗn loạn hay trật tự hệ, trình ∆S > O, entropy hệ tăng => entropy đại lượng đặc trưng cho độ hỗn loạn hệ NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY Ý NGHĨA CỦA ENTROPY:  Ý nghĩa thống kê (tt): - Xác suất nhiệt động tổng số trạng thái vi mô ứng với trạng thái vĩ mô hệ - Các trạng thái hệ gắn liền với xác suất tồn hệ => có mối liên hệ entropy với xác suất tồn hệ biểu diễn qua hệ thức Boltzmann: S= k.lnW (S: entropy tuyệt đối hệ, W: xác suất nhiệt động hệ, k = R/No số Boltzmann) NGUYÊN LÝ III CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY TUYỆT ĐỐI Entropy chất rắn nguyên chất có cấu tạo tinh thể hoàn chỉnh lý tưởng, 0oK không: 𝑆𝑜 = lim 𝑆𝑇 = 𝑇→0  Áp dụng: - Tính giá trị tuyệt đối entropy nhiệt độ khác - Vì ∆S = ST – S0 => ST = S0 + ∆S NGUYÊN LÝ III CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC ENTROPY TUYỆT ĐỐI  Áp dụng: - Xét trình đưa chất rắn từ 0oK qua giai đoạn biến đổi để thành dạng khí ToK 0oK R1 Tcp R2 Tnc lỏng Thh ∆S = ST – S0 = ST 𝑇𝑐𝑝 𝑑𝑇 λ𝑐𝑝 ⇒ 𝑆𝑇 = 𝐶𝑃(𝑅1) + + 𝑇 𝑇𝑐𝑝 Khí ToK - Với 𝑇𝑐𝑝 + 𝑇𝑛𝑐 𝑑𝑇 λℎℎ 𝐶𝑃(𝑙ỏ𝑛𝑔) + + 𝑇 𝑇ℎℎ 𝑇𝑛𝑐 𝑇𝑐𝑝 𝑇 𝑑𝑇 λ𝑛𝑐 𝐶𝑃(𝑅2) + 𝑇 𝑇𝑛𝑐 𝑑𝑇 𝐶𝑃(𝑘ℎí) 𝑇 𝑇ℎℎ ...GI I THIỆU MỞ ĐẦU Các trình tự xảy không tự xảy  Các trình tự nhiên xảy theo chiều xác định  Quá trình tự xảy trình không đ i h i tiêu tốn công (có thể sinh công không sinh công)  Quá trình. .. QBTN – ABTN V i ATN = max > ABTN QTN > QBTN, đó: