Курсовая работа: Химическая термодинамика
💣 👉🏻👉🏻👉🏻 ВСЯ ИНФОРМАЦИЯ ДОСТУПНА ЗДЕСЬ ЖМИТЕ 👈🏻👈🏻👈🏻
Федеральное агентство по образованию
Пензенский государственный педагогический университет им. В.Г. Белинского
Выполнила студентка группы Х-41(2):
Глава 1. Первый закон термодинамики
Глава 2. Приложение первого закона термодинамики к химии. Термохимия
Глава 3. Второй закон термодинамики. Энтропия
Глава 4. Термодинамические потенциалы
Физическая химия – наука, которая изучает общие закономерности физических процессов и является теоретической основой всей химической науки и технологии химических производств. Наиболее важным и в то же время одним из самых сложных разделов физической химии является химическая термодинамика. В данной курсовой работе приведен перечень вопросов и задач по химической термодинамике. Эти задачи носят комплексный характер и позволяют ученикам подготовиться к химическим олимпиадам. Целью настоящей работы явился подбор заданий по химической термодинамике, адаптация их к требованиям химических олимпиад для школьников, а так же разработка методики их решения с учетом межпредметных связей с математикой и физикой.
Решение задач дает возможность применить теоретические знания на практике, расширить, углубить и систематизировать их, стимулируют мыслительную деятельность учеников, развивают последовательность в действиях, логику.
Глава 1. Первый закон термодинамики
1) Что такое термодинамика и какие явления она изучает?
2) Приведите несколько формулировок первого закона термодинамики и покажите, что они не противоречат друг другу. Почему первый закон термодинамики называют первым началом?
3) Что такое система? Какие ее виды различают?
4) Дайте определение и приведите примеры термодинамических процессов: изотермического, изобарического, изохорического и адиабатического.
5) Что такое внутренняя энергия системы и из чего она слагается?
6) Дайте определение идеального газа. Что собой представляет внутренняя энергия идеального газа?
7) Почему термодинамика рассматривает не абсолютное значение внутренней энергии, а только ее изменение?
8) Что такое энтальпия и какова ее связь с внутренней энергией? Почему для конденсированных систем разница между энтальпией и внутренней энергией мала, а для систем газообразных значительна?
9) Перечислите способы передачи энергии от одной системы к другой.
11) Дайте определение теплоемкости удельной, атомной, молярной (мольной)? Какая связь существует между мольными теплоемкостями при постоянном давлении и постоянном объеме?
12) Работа определяется двумя величинами: фактором интенсивности и фактором емкости (экстенсивности). Что будут представлять собой эти факторы при совершении механической работы, электрической и работы по расширению газов?
13) Что такое максимальная работа расширения идеального газа? Почему газ, расширяясь в вакууме, работы не совершает?
14) Напишите уравнения, выражающие максимальную работу расширения идеального газа при изотермическом, изобарическом, изохорическом и адиабатическом процессах.
15) Дайте определение обратимым и необратимым термодинамическим процессам. Приведите примеры. Можно ли реальные природные процессы считать полностью обратимыми?
Газ расширяясь от 10 до 16 л при постоянном давлении 101,3*10 3
н/м 2
, поглощает 126 Дж теплоты. Определите изменение внутренней энергии газа.
p 1
= p 2
= 101,3*10 3
Па, V 1
= 10 л = 1*10 -2 м3
,
Согласно первому закону термодинамики
Работа, совершенная газом при изобарическом расширении, может быть вычислена по уравнению
DU = 126 - 101,3*10 3
(1* 10 -2
– 16*10 -3
) = 481,8Дж
Рассчитайте работу изотермического (27°С) расширения 1 моль углекислого газа от 2,24 до 22,4 л.
n= 1 моль, V 1
= 2,24л = 2,24*10 -3 м3
, V 2
= 22,4*10 -3 м3
,
Работа изотермического расширения системы может быть вычислена по уравнению:
W = 1*8,314*300*2,3 lg (22,4*10 -3
/ 2,24*10 -3
) = 5736,66 Дж
При 273 К и 1,0133*10 5
Па нагревают 5*10 -3 м3
криптона до873 К при постоянном объеме. Определите конечное давление газа и теплоту, затраченную на нагревание.
V = 5*10 -3 м3
, T 1
= 273 К, Т 2
= 873 К, р 1
= 1,0133*10 5
Па.
Теплоту, затраченную на нагревание можно найти по формуле:
Количество криптона вычисляется из уравнения состояния идеального газа:
n = 1,0133*10 5
* 5*10 -3
/8,314*273 = 0,223 моль.
Q v
= 0,223*3/2*8,314(873 – 273) = 1668,620 Дж
Конечное давление при постоянном объеме и известной температуре можно найти по закону Шарля:
p 2
= 1,0133*10 5
*873/273 = 3,2403*10 5
Па
Ответ: Q v
= 1668,620 Дж, p 2
= 3,2403*10 5
Па
Один моль одноатомного газа, взятого при 25°С и давлении 1,013*10 5
Па, адиабатически расширился до 0,05 м 3
. Каковы будут конечные давление и температура?
T 1
= 25°С = 298 K, P 1
= 1,013*10 5
Па, V 2
= 0,05 м 3
.
V 1
= nRT 1
/р 1
= 1*8,314*298/1,013*10 5
= 2,445*10 -2 м3
.
Конечные давление и температуру можно найти из уравнения адиабаты (g = С р
/С v
для одноатомных газов близко к 5/3):
р 2
= р 1
(V 1
/ V 2
) 5/3
, р 2
= 1,013*10 5
*(2,445*10 -2
/5,000*10 -2
) 5/3
Па = 0,3*10 5
Па
Т 1
V 1
g
-1
= Т 2
V 2
g
-1
, Т 2
=Т 1
(V 1
/ V 2
) g
-1
,
Т 2
= 298*(2,445*10 -2
/5,000*10 -2
) 5/3 – 1
К = 183 К
Ответ: р 2
=0,3*10 5
Па, Т 2
= 183 К.
1-1. Путем нагревания при постоянном давлении в 1,013*10 5
Па газу сообщено 2093, 4 Дж теплоты. Определите работу, совершенную газом, и изменение внутренней энергии данного газа, если он при этом расширился от 1 до 2 л.
1-2. Один моль дифторметана (идеальный газ), взятый при 0°С и 1 атм, нагрет при постоянном давлении до утроения объема. Рассчитайте изменение энтальпии и внутренней энергии в этом процессе, если зависимость теплоемкость дифторметана от температуры имеет вид:
С р
= 20,26 + 7,59*10 -2
*Т(Дж моль -1
К -1
)
1-3. Определите изменение внутренней энергии при изобарическом (1,013*10 5
н/м 2
) испарении 100 г воды при 150°С, если объемом жидкой воды пренебречь. Теплота испарения воды при 150°С равна 2112,66 Дж/г.
1-4. Азот (5 моль) при 100°С занимал объем 0,025 м 3
. При нагревании газа до 200°С было затрачено 14650 Дж. Определите С р
и конечный объем, если давление газа при этом не изменилось.
1-5. Определите работу, совершаемую азотом при изотермическом (20°С) расширении его от 0, 015 до 0,1 м 3
, если начальное давление составляло 3,039*10 5
Па. Каково будет конечное давление?
1-6. При 298 К одноатомный газ в идеальном состоянии изотермически и обратимо расширяется от 1,5*10 3
м 3
до 10*10 3
м 3
, при этом поглощается 966*10 3
Дж теплоты. Рассчитайте число молей газа, участвующего в процессе.(205,51)
1-7. Один моль идеального газа, взятого при 25°С и 100 атм, расширяется обратимо и изотермически до 5 атм. Рассчитайте работу, поглощенную теплоту, изменение внутренней энергии и энтальпии в этом процессе.
1-8. Сколько нужно затратить теплоты, чтобы изохорически нагреть 25 г кислорода от 0 до 50°С? (811,85 Дж)
1-9. Какое количество теплоты необходимо для изохорического нагревания 50 г углекислого газа в интервале температур от 300 до 400°С, если C v
= 40,2 Дж/моль? (4,56 кДж)
1-10. В резервуаре вместимостью 5*10 -2 м3
при 200 К и 0,5*10 5
Па содержится азот. Определите теплоту, которую необходимо передать газу, чтобы его давление стало равным 2*10 5
Па. Считать азот в указанных условиях идеальным газом. (18,7498 кДж)
1-11. Один моль ксенона, находящийся при 25°С и 2 атм, расширяется адиабатически: а) обратно до 1 атм, б) против давления 1 атм. Какой будет конечная температура в каждом случае? ( а)225 К, б)238 К)
1-12. Определите работу адиабатического обратимого расширения 3 моль аргона от 0,05 до 0,50 м 3
. Начальная температура газа 298 К. (8,745*10 5
Дж)
1-13. При 298 К 1*10 -2 кг кислорода сжимается адиабатически от 8
*10 -3
до 5*10 -3 м3
. Определите конечную температуру, работу процесса сжатия, изменение внутренней энергии и изменение энтальпии, если С v
= 5/2R. (359, 637 К; -400,37 Дж; 400,34 Дж; 1,335 кДж)
1-14. Один моль фтороуглерода расширяется обратимо и адиабатически вдвое по объему, при этом температура падает от 298,15 до 248,44К. Чему равно значение С V
?(31,6 Дж*моль -1
*К -1
)
Глава 2. Приложение первого закона термодинамики к химии. Термохимия
1) Что называется тепловым эффектом химической реакции?
2) Сформулируйте закон Гесса и следствия, вытекающие из него. Каково значение данного закона?
3) Объясните, почему закон Гесса есть частный случай первого закона термодинамики?
4) Применяя математическое выражение первого закона термодинамики, покажите, что тепловой эффект при постоянном давлении есть изменение энтальпии, а тепловой эффект при постоянном объеме – изменение внутренней энергии химической реакции.
5) Какие химические реакции называются экзотермическими и эндотермическими? Приведите примеры.
6) Почему для конденсированных систем разница между изменением энтропии и изменением внутренней энергии мала, а для газообразных значительна? Напишите уравнение, выражающее связь между тепловым эффектом при постоянном давлении и тепловым эффектом при постоянном объеме.
7) Дайте определение понятиям: «теплота образования», «теплота разложения», «теплота растворения», «теплота сгорания», «теплота нейтрализации».
8) Почему при определении теплот растворения на 1 моль различных растворенных веществ берется различное количество молей растворителя?
9) Сформулируйте закономерности, установленные для теплот образования химических соединений.
10) Чем объяснить постоянство теплот нейтрализации сильной кислоты сильным основанием?
11) Одинаковый ли тепловой эффект будет при: а)нейтрализации серной кислоты едким натром, б) нейтрализации серной кислоты раствором аммиака? Дайте объяснение.
12) Будет ли наблюдаться выделение или поглощение теплоты при сливании разбавленных растворов: а) хлорида калия и бромида натрия, б) хлорида калия и нитрата серебра, в) сульфата натрия и нитрата свинца, г) хлорида кальция и нитрата натрия?
13) Как зависит тепловой эффект химической реакции от температуры? Напишите математическое выражение закона Кирхгофа. В каких случаях тепловой эффект химической реакции не зависит от температуры? Почему?
Количество теплоты, выделенной при горении в стандартных условиях 2 г водорода в кислороде с образованием жидкой воды, равно 286 кДж. Чему равен тепловой эффект реакции при постоянном объеме?
Находим количество водорода: n = m/М, n = 2/2 моль = 1 моль
Н 2(г)
+ 0,5О 2(г)
= Н 2
О (ж)
, DН= -286 кДж, Т = 298 К
Тепловой эффект при постоянном объеме характеризуется изменением внутренней энергии (Q v
= DU). DU в данной реакции можно рассчитать следующим образом:
DU = -286*10 3
-(-3)*8,314*298 Дж = 278567 Дж
2ZnS + 3О 2
= 2ZnO + 2SO 2
, DН 2
0
= -893,5 кДж моль -1
,
2SO 2
+ О 2
= 2SO 3
, DН 3
0
= -198,2 кДж моль -1
,
ZnSO 4
= ZnO + SO 3
, DН 4
0
= 235,0 кДж моль -1
.
Закон Гесса позволяет обращаться с термохимическими уравнениями как с алгебраическими
2ZnS+3О 2
=2ZnO+2SO 2
, DН 2
0
=-893,5кДж моль -1
0,5
2SO 2
+ О 2
= 2SO 3
, DН 3
0
=-198,2кДж моль -1
0,5
ZnSO 4
= ZnO + SO 3
, DН 4
0
=235,0кДжмоль -1
–1
Zn + S + ZnS + 1,5О 2
+ SO 2
+ 0,5О 2
+ ZnO + SO 3
= ZnS + ZnO + + SO 2
+ SO 3
+ ZnSO 4
ÞZn + S + 2О 2
= ZnSO 4
DН f
0
(ZnSO 4
) = -1DН 1
0
+ 0,5DН 2
0
+ 0,5DН 3
0
- 1DН 4
0
,
DН f
0
(ZnSO 4
)=-200,5+0,5(-893,5)+0,5(-198,2)–235,0 =
Пользуясь справочными данными, рассчитайте энтальпию реакции:
3Сu (
ТВ
)
+8H(NO 3
) 2(
aq
)
=3Сu(NO 3
) 2(
aq
)
+2NO (
г
)
+4H 2
O (
ж
)
при 298 К.
Сокращенное ионное уравнение реакции имеет вид:
3Cu (ТВ)
+8H +
(
aq
)
+2NO 3
ˉ
(
aq
)
=3Сu 2+
(
aq
)
+2NO (г)
+4Н 2
О (ж)
,
по закону Гесса, энтальпия реакции равна:
D r
Н 0
=4D f
Н 0
(Н 2
О (ж)
)+2D f
Н 0
(NO (г)
)+3D f
Н 0
(Сu 2+
(
aq
)
)-2D f
Н 0
(NO 3
ˉ
(
aq
)
)
(энтальпии образования меди и иона Н +
равны, по определению, нулю).
Подставляя значения энтальпии образования из справочника находим:
D r
Н 0
=(4(-285,8)+2·90,25+3·64,77–2(-205,0))кДж=-358,4кДж,
Рассчитайте энтальпию сгорания метана при 1000 К, если даны энтальпии образования при 298 К:
Теплоемкости газов (в кал*моль -1
*К -1
) в интервале от 298 до 1000 К равны:
С р
(СН 4
)= 3,422 + 0,0178*Т, С р
(О 2
) = 6,095 + 0,0033*Т,
С р
(СО 2
) = 6,369 +0,0102*Т, С р
(Н 2
О (г)
) =7,188 +0,0024*Т
Энтальпия реакции сгорания метана СН 4(г)
+ 2О 2(г)
= СО 2(г)
+ Н 2
О (г)
при 298 К равна:
D r
H° 298
= -94,1 + 2(-57,8) – (-17,9) = -191,8 ккал/моль.
Найдем разность теплоемкостей как функцию температуры:
DС р
= С р
(СО 2
) + 2 С р
(Н 2
О (г)
) - С р
(СН 4
) - 2С р
(О 2
),
DС р
= 5,16 – 0,0094Т (кал*моль -1
*К -1
).
Энтальпию реакции при 1000 К рассчитаем по уравнению Кирхгофа:
D r
H° 1000
=(-191800+5,16(1000–298)–0,0094(1000 2
–
- 298 2
)/2) кал*моль -1
= -192500 кал*моль -1
.
2-1. Определите тепловой эффект реакции:
Al 2
O корунд
+ 3SO 3
= Al 2
(SO 4
) 3 кр
+DU C
, если реакция протекает при 298 К в автоклаве при постоянном объеме, а тепловой эффект реакции при р = const равен –573,4 кДж. (-566,0*10 3
кДж)
2-2. Стандартная энтальпия реакции:
протекающей в открытом сосуде при температуре 1000 К, равна 169 кДж моль -1
. Чему равна теплота этой реакции, протекающей при той же температуре, но в закрытом сосуде? (160,7 кДж*моль -1
)
2-5. Стандартные энтальпии образования жидкой и газообразной воды при 298 К равны -285,8 и -241,8 кДж моль -1
соответственно. Рассчитайте энтальпию испарения воды при этой температуре. (44,0 кДж моль -1
)
2-6. Рассчитайте стандартный тепловой эффект реакции:
CаSO 4(ТВ)
+ Na 2
CO 3(
aq
)
= CaCO 3(ТВ)
+ Na 2
CO 3(
aq
)
при 298 К, если D f
Н 0
298
(CаSO 4(ТВ)
) = -1434 кДж моль -1
(-5,0 кДж моль -1
)
2-7. Известны тепловые эффекты следующих реакций:
СН 3
СООC 2
Н 5(ж)
+ОН ¯
(
aq
)
=СН 3
СОО ¯
(
aq
)
+C 2
Н 5
ОН (ж)
,D r
Н 0
298
=-54,7кДжмоль -1
;
Н 3
СООН (ж)
+ОН ¯
(
aq
)
=СН 3
СОО ¯
(
aq
)
+Н 2
О (ж)
;D r
Н 0
298
=-57,3кДжмоль -1
;
СН 3
СООC 2
Н 5(ж)
+2Н 2(г)
=2C 2
Н 5
ОН (ж),
Рассчитайте тепловой эффект реакции:
C 2
Н 5
ОН (ж)
+ О 2(г)
= СН 3
СООН (ж)
+ Н 2
О (ж)
, если энтальпия образования жидкой воды равна -285,8 кДж моль -1
.(-492,6 кДж моль -1
)
2-8. На сколько градусов повысится температура при растворении 0,5 моль серной кислоты в 400 г воды, если теплота растворения серной кислоты равна -74,94 кДж, а удельная теплоемкость раствора равна 3,77 Дж/г·град? (22,14°С)
Тепловой эффект растворения безводного сульфата лития равен –26,71 кДж моль -1
. Тепловой эффект растворения кристаллогидрата Li 2
SO 4
*H 2
O равен –14,31 кДж моль -1
при
298 К. Вычислите тепловой эффект образования Li 2
SO 4
*H 2
O из безводной соли и воды. Определите процентное содержание воды в частично выветренном кристаллогидрате сульфата лития, если тепловой эффект растворения 1 кг этой соли равен –0,146*10 3
кДж. (-12,40 кДж·моль -1
)
Рассчитайте изменение энтальпии при нагревании 2 кг
a-SiO 2
от 298 до 800 К, если зависимость теплоемкости от температуры выражается уравнением:
С 0
р
= 46,94 +34,31*10 -3
Т – 11,3*10 5
/Т 2
.
Зависимость теплового эффекта реакции Н 2(г)
+ ½ О 2(г)
= Н 2
О (г)
от температуры выражается уравнением:
D r
H° Т
(Дж/моль) = -237,65*10 3
– 13,01Т + 2,88*10 -3
Т 2
–1,71. Рассчитайте изменение теплоемкости DС р
DС V
для этой реакции при 800 К. (DС р
= -8,14 Дж моль -1
К -1
, DС V
= -3,98 Дж моль -1
К -1
)
Определите тепловой эффект химической реакции СН 3
ОН (г)
+ 3/2О 2
= СО 2
+ 2Н 2
О (г)
при 500 К и стандартном давлении. При расчете воспользуйтесь средними теплоемкостями веществ в интервале температур от 298 до 500 К. (-673,29 кДж)
Стандартная энтальпия образования формальдегида при 25°С равна –108,6 кДж/моль. Рассчитайте стандартную энтальпию образования формальдегида при 150°С, если известны теплоемкости: (-110,7 кДж моль -1
)
1) Приведите несколько формулировок второго закона термодинамики и напишите его математическое выражение.
2) Что такое к.п.д.? Почему его значение всегда меньше единицы?
3) В чем состоит значение второго закона термодинамики для физической химии и химической технологии?
4) В отличие от первого закона термодинамики второй закон носит статистический (вероятностный) характер. Что это означает?
5) Что такое свободная и связанная энергия?
7) Как будет изменятся энтропия воды при ее переходе из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное?
8) Почему энтропия системы всегда больше нуля?
9) Напишите уравнение изменения энтропии для изотермических обратимых неизолированных, обратимых изолированных и изолированных необратимых процессов.
10) В чем состоит физический смысл изобарно-изотермического и изохорно-изотермического потенциалов? Напишите уравнения, показывающие связь между термодинамическими потенциалами и другими термодинамическими функциями.
11) Что показывает знак и величина изобарно-изотермического потенциала? Определите, какие из нижеприведенных реакций будут протекать в прямом, а какие – в обратном направлении. Какая из этих реакций будет ближе всего к равновесию в момент смешения эквимолярных количеств всех веществ, участвующих в реакции, а какая – дальше всего? Все вещества газообразные, температура и давление постоянны.
Рассчитайте изменение энтропии при нагревании 0,4 моль хлорида натрия от 20 до 850°С. Мольная теплоемкость хлорида натрия равна:
С р
(NaCl (тв)
) = 45,94 +16,32*10 -3
Т Дж*К -1
*моль -1
,
С р
(NaCl (ж)
) = 66,53 Дж*К -1
*моль -1
. Температура плавления хлорида натрия 800°С, теплота плавления 31,0 кДж*моль -1
.
Общее изменение энтропии складывается из трех составляющих:
1) нагревание твердого хлорида натрия от 20 до 800°С,
3) нагревание жидкого хлорида натрия от 800 до 850°С.
DS = DS 1
+ DS 2
+ DS 3
, DS = (28,94 + 11,6 + 1,21) Дж*К -1
= 41,75 Дж*К -1
Найдите изменение энтропии газа и окружающей среды, если n молей идеального газа расширяются от объема V 1
до объема V 2
:
А) изменение энтропии газа при обратимом изотермическом расширении можно найти с помощью термодинамического определения энтропии с расчетом теплоты расширения по первому закону:
Т.к. расширение обратимое, то общее изменение энтропии Вселенной равно 0, поэтому изменение энтропии окружающей среды равно изменению энтропии газа с обратным знаком:
Б) Изменение энтропии газа при необратимом расширении против внешнего давления будет таким же, как и при обратимом расширении. Другое дело – энтропия окружающей среды, которую можно найти, рассчитав с помощью первого закона теплоту, переданную системе:
DS окр
= Q окр
/T = - W/Т = р(V 1
– V 2
)/Т.
В этом выводе использован тот факт, что DU = 0 (т.к.температура постоянна). Работа, совершаемая системой против постоянного давления, равна:
а теплота, принятая окружающей средой, равна работе, совершенной системой, с обратным знаком. Общее изменение энтропии газа и окружающей среды больше 0:
DS= nRlnV 2
/V 2
+ р(V 1
– V 2
)/Т > 0
как и полагается для необратимого процесса.
Рассчитайте изменение энтропии 1000 г метанола в результате его замерзания при -105°С. Теплота плавления твердого метанола при -98°С равна 3160 Дж*моль -1
. Теплоемкость твердого и жидкого метанола равны 55,6 и 81,6 Дж*К -1
*моль -1
, соответственно.
Необратимый процесс кристаллизации метанола при температуре -105°С можно представить в виде последовательных обратимых процессов:
А) нагревание метанола от –105°С до температуры кристаллизации (-98°С),
Б) кристаллизация метанола при -98°С,
В) охлаждение метанола от -98°С до -105°С:
Изменение энтропии в первом и в третьем процессах (при изменении температуры) рассчитывается по формуле:
DS 1
= nC р(Ж)
lnT 2
/Т 1
, где n = m/М,
DS 1
= (1000/32)81,6*ln175/168 Дж*К -1
= 104,10 Дж*К -1
,
DS 3
= (m/М)C р
(
тв
)
lnT 2
/Т 1
,
DS 3
= (1000/32)55,6 ln168/175 Дж*К -1
= -70,93 Дж*К -1
.
Изменение энтропии во втором процессе рассчитывается как для обычного фазового перехода, учитывая, что теплота при кристаллизации выделяется:
DS 2
= -(1000/32)3160/175 Дж*К -1
= -564,29 Дж*К -1
.
Общее изменение энтропии равно сумме по этим трем процессам:
DS= DS 1
+DS 2
+ DS 3
, DS= (104,10 - 564,29 – 70,93) Дж*К -1
=
Рассчитайте изменение энтропии при смешении моля водорода с 1 мольазота при давлении 1,013*10 5
Па и постоянной температуре.
При смешении газы будут диффундировать друг в друга. При данных условиях газы можно принять за идеальные. Поэтому общее изменение энтропии при смешении газов будет равно сумме изменений энтропий каждого газа при его расширении до объема смеси. Т.к. процесс изотермический, то для каждого газа:
DS= nR*lnV 2
/V 1
. V = nRT/р, V H
2
= V N
2
Þ
DS N
2
= DS H
2
= nR*ln2 = 1*8,314*ln2 Дж/К= 5,763 Дж/К
DS = DS H
2
+ S N
2
, DS = (5,763 + 5,763) Дж/К = 11,526 Дж/К.
3-1. Рассчитайте изменение энтропии при нагревании 0,7 моль моноклинной серы от 25 до 200°С при давлении 1 атм. Мольная теплоемкость серы равна: С р
(S (тв)
) = 23,64 Дж*К -1
*моль -1
, С р
(S (ж)
) = (35,73 + 1,17*10 -3
Т) Дж*К -1
*моль -1
. Температура плавления моноклинной серы 119°С, удельная теплота плавления 45,2 Дж*г -1
. (11,88 Дж*К -1
)
3-2. Один килограмм воды, взятой при 0°С, переведен в состояние перегретого пара с температурой 200°С и давлении 1,013*10 5
Па. Вычислите изменение энтропии этого перехода, если удельная теплота испарения воды при 100°С равна 2257 Дж/г, удельная теплоемкость водяного пара при давлении в 1,013*10 5
Па равна 1,968 Дж*К -1
*моль -1
. (7824,8 Дж)
3-3. Под давлением 19,6*10 4
Па нагревают 2*10 -3 м3
аргона до тех пор, пока объем его не увеличится до 12*10 -3 м3
. Каково изменение энтропии, если начальная температура 373 К. (2,44 Дж*К -1
*моль -1
)
3-4. Вычислите изменение энтропии при нагревании 16 кг О 2
от 273 до 373 К при постоянном объеме. Считайте кислород идеальным газом.(3242,46 Дж*К -1
)
3-5. 3,00 моль газообразного СО 2
расширяются изотермически (в тепловом контакте с окружающей средой, имеющей температуру 15,0°С) против постоянного внешнего давления 1,00 бар. Начальный и конечный объемы газа равны 10,0 л и 30,0 л, соответственно. Рассчитайте изменение энтропии:
а) системы, считая СО 2
идеальным газом,
(DS сист
=27,4Дж*К -1
,
DS окр
= -6,94Дж*К -1
,DS всел
=20,46Дж*К -1
)
3-6. Найдите изменение энтропии газа газа и окружающей среды, если n молей идеального газа расширяются изотермически от давления р 1
до давления р 2
: а) обратимо; б) против внешнего давления р < р 2
.
(а) DS газ
= nRln(p 1
/p 2
), DS окр
= -nRln(p 1
/p 2
),
б) DS газ
= nRln(p 1
/p 2
), DS окр
= nRр(1/p 1
- 1/p 2
))
3-7. Рассчитайте изменение энтропии 1000 г воды в результате ее замерзания при -5°С. Теплота плавления льда при 0°С равна 6008 Дж*моль -1
. Теплоемкость льда и воды равны 34,7 и 75,3 Дж*К -1
*моль -1
, соответственно. Объясните, почему энтропия при замерзании уменьшается, хотя процесс самопроизвольный. (-1181Дж/К)
3-8. Вычислите изменение энтропии в процессе затвердения 1 моль переохлажденного бензола при 268 К, если при 278 К DН пл (бензола)
=9956Дж*моль -1
,С р бензола(ж)
=127,3Дж*К -1
*моль -1
,
С р бензола(тв)
= 123,6 Дж*К -1
*моль -1
, Р = cоnst = 1,01*10 5
Па. (35,61 Дж*К -1
*моль -1
)
3-9. Определите изменение энтропии, если 100*10 -3
кг воды, взятой при 273 К, превращается в пар при390 К. Удельная теплота испарения воды при 373 К равна 2263,8*10 -3
Дж*кг -1
; удельная теплоемкость жидкой воды 4,2 Дж*кг -1
*К -1
; удельная теплоемкость пара при постоянном давлении 2,0*10 -3
Дж*кг -1
*К -1
.(142 Дж*К -1
*моль -1
)
3-10. Азот (0,001 м 3
) смешан с 0,002 м 3
кислорода при 27°С и давлении 1,013*10 5
Па. Найти общее изменение энтропии системы. (0,645 Дж)
3-11. В двух сообщающихся сосудах, разделенных перегородкой, находятся 1 моль азота и 2 моль кислорода. Перегородку вынимают, газы смешиваются. Рассчитайте общее изменение энтропии, если исходные температуры и давления одинаковы, а объемы различны; V N
2
= 1 л, V O
2
= 2 л. Конечное давление смеси равно исходному давлению газа. (15,876 Дж*К -1
*моль -1
)
3-12. В двух сосудах одинаковой емкости находится: в первом 2,8 г азота, во втором 4 г аргона. Определите изменение энтропии при диффузии, возникающей в результате соединения сосудов с газами. Температура и давление постоянны. (1,15 Дж)
3-13. Смешали 1 моль аргона, взятого при T Ar
= 293 К, с 2 моль азота, взятого при Т N
2
= 323 К. Исходные давления компонентов и конечное давление смеси одинаковы. Вычислите температурную составляющую энтропии смешения. Теплоемкость аргона равна 20,8 Дж*К -1
*моль -1
и азота 29,4 Дж*К -1
*моль -1
. (0,033 Дж*К -1
*моль -1
)
Глава 4. Термодинамические потенциалы
Два моля гелия (идеальный газ, мольная теплоемкость
С р
= 5/2R) нагревают от 100 до 200°С при р = 1 атм. Вычислите изменение энергии Гиббса в этом процессе, если известно значение энтропии гелия,
S° 373
= 131,7 Дж*К -1
*моль -1
. Можно ли считать этот процесс самопроизвольным?
Изменение энергии Гиббса при нагревании от 373 до 473 К можно найти, проинтегрировав частную производную по температуре:
Зависимость энтропии от температуры при постоянном давлении определяется изобарной теплоемкостью:
Интегрирование этого выражения от 373 К до Т дает:
Подставляя это выражение в интеграл от энтропии, находим:
Процесс нагревания не обязан быть самопроизвольный, т.к. уменьшение энергии Гиббса служит критерием самопроизвольного протекания процесса только при Т = const и р = const.
Рассчитайте изменение энергии Гиббса в реакции:
при температуре 500 К и парциальных давлениях 3 бар. Будет ли эта реакция самопроизвольной при данных условиях? Газы считать идеальными. Необходимые данные возьмите из справочника.
Термодинамические данные при температуре 298 К и стандартном давлении 1 бар сведем в таблицу:
Примем, что D r
С p
= соnst. Изменения термодинамических функций в результате реакций рассчитаны как разность функций реагентов и продуктов:
Df = f(СО 2
) - f(СО) – 1/2 f(О 2
).
Стандартный тепловой эффект реакции при 500 К можно рассчитать по уравнению Кирхгофа в интегральной форме:
D r
Н° 500
= -283000 + (-9,27)(500 – 298) = -284,9 кДж*моль -1
Стандартное изменение энтропии в реакции при 500 К можно рассчитать по формуле:
D r
S° 500
=(-86,4+(-9,27)ln(500/298))Дж*К -1
*моль -1
=
Стандартное изменение энергии Гиббса при 500 К:
D r
G° 500
= D r
Н° 500
- 500D r
S° 500
,
D r
G° 500
= (-284900 – 500(-91,2)) кДж*моль -1
=-239,3кДж*моль -1
.
Рассчитаем изменение энергии Гиббса при парциальных давлениях 3 атм:
D r
G(р 2
) = - 240200 + (-0,5)8,31*500*ln(3) = -242,5 кДж*моль -1
.
Эта реакция может протекать самопроизвольно при данных условиях.
Ответ: D r
G = -242,5 кДж*моль -1
.
4-1. Вычислите изменение Н, U, F, G, S при одновременном охлаждении от 2000 К до 200 К и расширении от 0,5 м 3
до 1,35 м 3
0,7 молей азота (С V
= 5/2R). Энтропия газа в исходном состоянии равна 213,4 Дж*К -1
*моль -1
, газ можно считать идеальным.
(DН = -36,66 кДж, DU = -26,19 кДж, DF = 249,4 кДж,
DG = 238,9 кДж, DS = -27,72 Дж*К -1
)
4-2. Рассчитайте DG° при 25°С для химической реакции: 4НСl (г)
+ О 2(г)
= 2Cl 2
+ 2Н 2
О (ж)
. Стандартные значения энтальпии образования и абсолютной энтропии при 25°С равны: D f
Н°(НСl) = -22,1 ккал*моль -1
,
S°(O 2
) = 49,0 кал*К -1
*моль -1
, D f
Н°(Н 2
О (ж)
) = -68,3 ккал*моль -1
, S°(Сl 2
) = 53,3 кал*К -1
*моль -1
, S°(НCl) = 44,6 кал*К -1
*моль -1
,
S°(Н 2
O (ж)
) = 49,0 кал*К -1
*моль -1
.
4-3. Вычислите изменение энергии Гиббса при сжатии
0,7*10 -2 кг
N 2
при 300 К и давлении от 5,05*10 4
до 3,031*10 5
Па (считать азот идеальным газом).
Определите DН° 298
из следующих термохимических уравнений:
СН 4(г)
+ 2О 2(г)
= СО 2(г)
+ 2Н 2
О (ж)
+ DН° 298
,
СО 2(г)
= С(графит) + О 2(г)
- DН° 298,
2Н 2
О (ж)
= 2Н 2(г)
+ О 2(г)
- 2DН° 298.
Значение DS° 298
вычислите с помощью постулата Планка.
4-5. Рассчитайте стандартные энергии Гиббса и Гельмгольца при 700°С для химической реакции:
Теплоемкости веществ считать постоянными.
(D r
G° 973
= 24,4 кДж*моль -1
, D r
F° 973
= 16,3 кДж*моль -1
)
4-6. Вычислите изменение DG° для 1 моль NН 3
в процессе изобарического нагревания (Р = 1,013*10 5
Па) от Т 1
= 300 до Т 2
= 400 К, если С р
= соnst. (-17,467 кДж*К -1
*моль -1
)
4-7. Найдите энергию Гиббса образования NН 3
при температурах 298 и 400 К, если известны следующие данные: D f
Н° 298
(NН 3
) = -46,2 кДж*моль -1
,
Считать, что теплоемкости в указанном интервале температур постоянны.
(D f
G° 298
(NH 3
) = -16,7 кДж*моль -1
, D r
G° 400
(NH 3
) = -6,19 кДж*моль -1
)
1) Г.С. Каретников, И.В. Кудряшов. Сборник примеров и задач по физической химии. - М: Высшая школа, 1991 г.
2) И.И. Климов, А.И. Филько. Сборник примеров и задач по физической и коллоидной химии. – М: Просвещение, 1975 г.
3) В.В. Еремин, С.И. Каргов, И.А. Успенская, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин. Основы физической химии. Теории и задачи. – М: Экзамен, 2005.
Название: Химическая термодинамика
Раздел: Рефераты по химии
Тип: курсовая работа
Добавлен 10:09:22 16 ноября 2009 Похожие работы
Просмотров: 4558
Комментариев: 14
Оценило: 2 человек
Средний балл: 5
Оценка: неизвестно Скачать
Изобарно-изотермический потенциал (дж/моль)
Энтальпия образования D f
Н° 298
, кДж*моль -1
Теплоемкость С р
, Дж*К -1
*моль -1
Привет студентам) если возникают трудности с любой работой (от реферата и контрольных до диплома), можете обратиться на FAST-REFERAT.RU , я там обычно заказываю, все качественно и в срок) в любом случае попробуйте, за спрос денег не берут)
Да, но только в случае крайней необходимости.
Курсовая работа: Химическая термодинамика
Социальная Группа Реферат
Доклад: Томас Джефферсон: политический деятель и просветитель
Дипломная работа по теме Разработка автоматизированной системы
Лекция по теме Синантропные средства
Архитектура X86 Реферат
Курсовая Наследование Земельных Участков
Реферат: Формирование современной системы ипотечных банков в России
Эссе На Ученика На Конкурс
Курсовая работа по теме Участие персонала в управлении фирмы
Реферат по теме Правомочия собственника
Реферат: Кредитоспособность заемщика и методы ее оценки в филиале коммерческого банка
Контрольная Работа Системы Линейных Уравнений Ответы
Реферат На Тему Экологические Катастрофы
Реферат: Миф и его аспекты. Скачать бесплатно и без регистрации
Книга Оссовской "Рыцарский этос"
Дипломная работа по теме Понятие электронного документа
Я Патриот Своего Народа Сочинение
Оценка Расходов Реферат
Курсовая Работа На Тему Мебель
Реферат: Преступление
Реферат: Конфликты постсоветского пространства: фактор стабильности?
Реферат: Понятие и значение залога
Реферат: Социальная защита государственных служащих