Nie je možné nájsť absolútne hodnoty entalpií a vnútorných energií termodynamickými metódami, ale je možné určiť iba ich zmeny. Zároveň je vhodné použiť pri termodynamických výpočtoch chemicky reagujúcich systémov jednotný systém odkaz. V tomto prípade, keďže entalpia a vnútorná energia sú spojené vzťahom , stačí zaviesť referenčnú sústavu len pre jednu entalpiu. Okrem toho sa za účelom porovnania a systematizácie tepelných účinkov chemických reakcií, ktoré závisia od fyzikálneho stavu reagujúcich látok a od podmienok vzniku XP, zavádza pojem štandardný stav hmoty. Na odporúčanie komisie pre termodynamiku Medzinárodnej únie čistej a aplikovanej chémie (IUPAC) v roku 1975 je štandardný stav definovaný takto:
„Štandardný stav pre plyny je stav hypotetického ideálneho plynu pri tlaku 1 fyzikálnej atmosféry (101325 Pa). Na tekutiny a pevné látkyštandardný stav je stav čistej kvapaliny, resp kryštalická látka pri tlaku 1 fyzikálnej atmosféry. Pre látky v roztokoch sa za štandardný stav považuje hypotetický stav, v ktorom by sa entalpia jednomolárneho roztoku (1 mol látky v 1 kg rozpúšťadla) rovnala entalpii roztoku pri nekonečnom zriedení. Vlastnosti látok v štandardných stavoch sa označujú horným indexom 0. (Čistá látka je látka pozostávajúca z rovnakých štruktúrnych častíc (atómov, molekúl atď.)).
Táto definícia sa vzťahuje na hypotetické stavy plynu a rozpustenej látky, keďže v reálnych podmienkach sa stavy plynov líšia vo väčšej či menšej miere od ideálu a stavy roztokov sa líšia od ideálneho riešenia. Preto sa pri použití termodynamických vlastností látok v štandardných stavoch pre reálne podmienky zavádzajú korekcie odchýlky týchto vlastností od reálnych. Ak sú tieto odchýlky malé, korekcie možno vynechať.
V príručkách sa termodynamické veličiny zvyčajne uvádzajú za štandardných podmienok: tlak R 0 = 101325 Pa a teplota T 0 = 0 K alebo T 0 \u003d 298,15 K (25 0 C). Pri tvorbe tabuliek celkových entalpií látok ich štandardný stav pri teplote T 0 = 0 K alebo T 0 = 298,15 tis.
Látky, ktoré sú čisté chemické prvky v najstabilnejšej fáze stav pri R 0 \u003d 101325 Pa a teplota referenčného bodu entalpií T 0, vezmite hodnotu entalpia rovná nule: . (Napríklad pre látky v plynnom skupenstve: O 2, N 2, H 2, Cl 2, F 2 atď., pre C (grafit) a kovy (pevné kryštály)).
Pre chemické zlúčeniny (CO 2, H 2 O atď.) a pre látky, ktoré sú čistými chemickými prvkami, nie v najstabilnejšom stave(O, N atď.) entalpia pri R 0 = 101325 Pa a T 0 nerovná sa nule: .
Entalpia chemické zlúčeniny at R 0 a T 0 spolieha rovný tepelný efekt vzdelanie ich z čistého chemické prvky s týmito parametrami, t.j. . Takže pri T 0 \u003d 0K: a pri T0 \u003d 298,15K:.
Entalpia akejkoľvek látky pri teplote T sa bude rovnať množstvu tepla, ktoré sa musí dodať v izobarickom procese, takže z čistých chemických prvkov pri teplote T 0 získame danú látku a zohrejeme ju z teploty T 0 na teplotu T, t.j. vzorec na výpočet entalpie akejkoľvek látky je:
, alebo v kompaktnejšom zápise máme:
,
kde horný index "o" znamená, že látka je v štandardnom stave pri R 0 = 101325 Pa; je entalpia tvorby látky pri teplote T 0 z čistých chemických prvkov; = - nadbytočná entalpia spojená s tepelnou kapacitou látky, - celková entalpia s prihliadnutím na entalpiu tvorby látky.
Pre T 0 = 0:
,
Pre T= 298,15 K:
Schéma na výpočet entalpie pri teplote T môžu byť zastúpené vo forme
Termochémia študuje tepelné účinky chemických reakcií. V mnohých prípadoch tieto reakcie prebiehajú pri konštantnom objeme alebo konštantnom tlaku. Z prvého zákona termodynamiky vyplýva, že za týchto podmienok je teplo funkciou stavu. Pri konštantnom objeme sa teplo rovná zmene vnútornej energie:
a pri konštantnom tlaku - zmena entalpie:
Tieto rovnosti, keď sa aplikujú na chemické reakcie, sú podstatou Hessov zákon:
tepelný efekt chemická reakcia, prebiehajúce pri konštantnom tlaku alebo konštantnom objeme, nezávisí od reakčnej dráhy, ale je určená len stavom reaktantov a reakčných produktov.
Inými slovami, tepelný účinok chemickej reakcie sa rovná zmene stavovej funkcie.
V termochémii, na rozdiel od iných aplikácií termodynamiky, sa teplo považuje za pozitívne, ak sa uvoľní životné prostredie, t.j. ak H < 0 или U
< 0. Под тепловым эффектом химической реакции
понимают значение H(čo sa jednoducho nazýva „entalpia reakcie“) alebo U reakcie.
Ak reakcia prebieha v roztoku alebo v pevnej fáze, kde je zmena objemu zanedbateľná, potom
H = U + (pV) U. (3.3)
Ak sa reakcie zúčastňujú ideálne plyny, potom pri konštantnej teplote
H = U + (pV) = U+n. RT, (3.4)
kde n je zmena počtu mólov plynov v reakcii.
Aby sa uľahčilo porovnanie entalpií rôznych reakcií, používa sa pojem "štandardný stav". Štandardný stav je stav čistej látky pri tlaku 1 bar (= 10 5 Pa) a danej teplote. Pre plyny ide o hypotetický stav pri tlaku 1 bar, ktorý má vlastnosti nekonečne riedeného plynu. Entalpia reakcie medzi látkami v štandardných stavoch pri teplote T, označiť ( r znamená „reakcia“). V termochemických rovniciach sa uvádzajú nielen vzorce látok, ale aj ich agregované stavy alebo kryštalické modifikácie.
Z Hessovho zákona vyplývajú dôležité dôsledky, ktoré umožňujú vypočítať entalpie chemických reakcií.
Dôsledok 1.
sa rovná rozdielu medzi štandardnými entalpiami tvorby reakčných produktov a činidiel (berúc do úvahy stechiometrické koeficienty):
Štandardná entalpia (teplo) vzniku látky (f znamená "tvorba") pri danej teplote je entalpia reakcie tvorby jedného mólu tejto látky od živlov v najstabilnejšom štandardnom stave. Podľa tejto definície je entalpia vzniku najstabilnejších jednoduchých látok v štandardnom stave 0 pri akejkoľvek teplote. Štandardné entalpie tvorby látok pri teplote 298 K sú uvedené v referenčných knihách.
Pojmy "entalpia tvorby" sa používajú nielen pre bežné látky, ale aj pre ióny v roztoku. V tomto prípade sa ako referenčný bod berie ión H +, pre ktorý sa predpokladá, že štandardná entalpia tvorby vo vodnom roztoku sa rovná nule: 
Dôsledok 2. Štandardná entalpia chemickej reakcie
sa rovná rozdielu medzi entalpiami spaľovania reaktantov a reakčných produktov (berúc do úvahy stechiometrické koeficienty):
(c znamená „spaľovanie“). Štandardná entalpia (teplo) horenia látky sa nazýva entalpia reakcie úplnej oxidácie jedného mólu látky. Tento dôsledok sa zvyčajne používa na výpočet tepelných účinkov organických reakcií.
Dôsledok 3. Entalpia chemickej reakcie sa rovná rozdielu medzi energiami prerušených a vytvorených chemických väzieb.
Väzbovou energiou A-B pomenujú energiu potrebnú na prerušenie väzby a zriedenie výsledných častíc do nekonečnej vzdialenosti:
AB (r) A (r) + B (r) .
Energia väzby je vždy pozitívna.
Väčšina termochemických údajov v príručkách sa uvádza pri teplote 298 K. Na výpočet tepelných účinkov pri iných teplotách použite Kirchhoffova rovnica:
(rozdielny tvar) (3.7)
(celé tvar) (3.8)
kde Cp je rozdiel medzi izobarickými tepelnými kapacitami reakčných produktov a východiskových materiálov. Ak rozdiel T 2 - T 1 je malý, potom ho môžete prijať Cp= konšt. o veľký rozdiel teploty, je potrebné použiť teplotnú závislosť Cp(T) typ:
kde koeficienty a, b, c atď. pre jednotlivé látky sú prevzaté z referenčnej knihy a znak označuje rozdiel medzi produktmi a činidlami (s prihliadnutím na koeficienty).
PRÍKLADY
Príklad 3-1.Štandardné entalpie tvorby kvapalnej a plynnej vody pri 298 K sú -285,8 a -241,8 kJ/mol. Vypočítajte entalpiu vyparovania vody pri tejto teplote.
rozhodnutie. Entalpie tvorby zodpovedajú nasledujúcim reakciám:
H2 (g) + S02 (g) \u003d H20 (g), H 1 0 = -285.8;
H2 (g) + S02 (g) \u003d H20 (g), H 2 0 = -241.8.
Druhá reakcia sa môže uskutočniť v dvoch stupňoch: najprv sa spáli vodík za vzniku kvapalnej vody podľa prvej reakcie a potom sa voda odparí:
H20 (g) \u003d H20 (g), H 0 španielčina = ?
Potom, podľa Hessovho zákona,
H 1 0 + H 0 španielsky = H 2 0 ,
kde H 0 španielčina \u003d -241,8 - (-285,8) \u003d 44,0 kJ / mol.
Odpoveď. 44,0 kJ/mol.
Príklad 3-2. Vypočítajte entalpiu reakcie
6C (g) + 6H (g) \u003d C6H6 (g)
a) podľa entalpií tvorby; b) väzbovými energiami za predpokladu, že dvojité väzby v molekule C 6 H 6 sú fixované.
rozhodnutie. a) Entalpie tvorby (v kJ/mol) sú uvedené v príručke (napr. P.W. Atkins, Physical Chemistry, 5. vydanie, str. C9-C15): fH 0 (C6H6 (g)) = 82,93, fH 0 (C (g)) = 716,68, fH 0 (H (g)) = 217,97. Entalpia reakcie je:
r H 0 \u003d 82,93 - 6 716,68 - 6 217,97 \u003d -5525 kJ / mol.
b) Pri tejto reakcii sa chemické väzby nerušia, ale iba vytvárajú. Pri aproximácii pevnej dvojitej väzby obsahuje molekula C6H6 6 väzieb C-H, 3 väzby C-C a 3 väzby C=C. Energie väzby (v kJ/mol) (P.W.Atkins, Fyzikálna chémia, 5. vydanie, s. C7): E(C-H) = 412, E(C-C) = 348, E(C=C) = 612. Entalpia reakcie je:
r H 0 \u003d - (6 412 + 3 348 + 3 612) \u003d -5352 kJ / mol.
Rozdiel s presným výsledkom -5525 kJ / mol je spôsobený tým, že v molekule benzénu nie sú jednoduché väzby C-C a dvojité väzby C=C, ale je tam 6 aromatických väzieb C C.
Odpoveď. a) -5525 kJ/mol; b) -5352 kJ/mol.
Príklad 3-3. Pomocou referenčných údajov vypočítajte entalpiu reakcie
3Cu (tv) + 8HN03(aq) = 3Cu(N03)2(aq) + 2NO (g) + 4H20 (1)
rozhodnutie. Skrátená rovnica iónovej reakcie je:
3Cu (tv) + 8H+ (aq) + 2N03- (aq) \u003d 3Cu2+ (aq) + 2NO (g) + 4H20 (1).
Podľa Hessovho zákona je entalpia reakcie:
r H 0 = 4fH 0 (H20 (1)) + 2 fH 0 (NO(g)) + 3 fH 0 (Cu2+ (aq)) - 2 fH 0 (NO 3 - (aq))
(Entalpie tvorby medi a iónu H + sú podľa definície 0). Nahradením entalpií tvorby (P.W. Atkins, Physical Chemistry, 5. vydanie, str. C9-C15) nájdeme:
r H 0 = 4 (-285,8) + 2 90,25 + 3 64,77 - 2 (-205,0) = -358,4 kJ
(na základe troch mólov medi).
Odpoveď. -358,4 kJ.
Príklad 3-4. Vypočítajte entalpiu spaľovania metánu pri 1000 K, ak sú dané entalpie tvorby pri 298 K: fH 0 (CH 4) \u003d -17,9 kcal / mol, fH 0 (CO 2) \u003d -94,1 kcal / mol, fH 0 (H20 (g)) = -57,8 kcal/mol. Tepelné kapacity plynov (v cal/(mol. K)) v rozsahu od 298 do 1000 K sú:
Cp (CH4) = 3,422 + 0,0178. T, Cp(02) = 6,095 + 0,0033. T,
Cp (CO2) \u003d 6,396 + 0,0102. T, Cp(H20 (g)) = 7,188 + 0,0024. T.
rozhodnutie. Entalpia spaľovacej reakcie metánu
CH4 (g) + 202 (g) \u003d CO2 (g) + 2H20 (g)
pri 298 K je:
94,1 + 2 (-57,8) - (-17,9) = -191,8 kcal/mol.
Nájdite rozdiel v tepelných kapacitách ako funkciu teploty:
Cp = Cp(CO2) + 2 Cp(H20 (g)) - Cp(CH4)-2 Cp(O2) =
= 5.16 - 0.0094T(cal/(mol. K)).
Vypočítame reakčnú entalpiu pri 1000 K pomocou Kirchhoffovej rovnice:
= + 
= -191800 + 5.16
(1000-298) - 0,0094 (1000 2 -298 2) / 2 \u003d -192 500 cal / mol.
Odpoveď. -192,5 kcal/mol.
ÚLOHY
3-1. Koľko tepla je potrebné na prenos 500 g Al (teplota topenia 658 o C, H 0 pl \u003d 92,4 cal / g), odobratých pri izbovej teplote, do roztaveného stavu, ak Cp(Al TV) \u003d 0,183 + 1,096 10 -4 T cal/(g K)?
3-2. Štandardná entalpia reakcie CaCO 3 (tv) \u003d CaO (tv) + CO 2 (g), prebiehajúcej v otvorenej nádobe pri teplote 1000 K, je 169 kJ / mol. Aké je teplo tejto reakcie prebiehajúcej pri rovnakej teplote, ale v uzavretej nádobe?
3-3. Vypočítajte štandardnú vnútornú energiu tvorby kvapalného benzénu pri 298 K, ak štandardná entalpia jeho vzniku je 49,0 kJ/mol.
3-4. Vypočítajte entalpiu tvorby N 2 O 5 (g) pri T= 298 K na základe nasledujúcich údajov:
2NO (g) + O2 (g) \u003d 2N02 (g), H 10 \u003d -114,2 kJ / mol,
4N202 (g) + O2 (g) \u003d 2N205 (g), H 2 0 \u003d -110,2 kJ / mol,
N2 (g) + O2 (g) \u003d 2NO (g), H 30 = 182,6 kJ/mol.
3-5. Entalpie spaľovania -glukózy, -fruktózy a sacharózy pri 25 °C sú -2802,
-2810 a -5644 kJ/mol, v tomto poradí. Vypočítajte skupenské teplo hydrolýzy sacharózy.
3-6. Stanovte entalpiu vzniku diboránu B 2 H 6 (g) pri T= 298 K z nasledujúcich údajov:
B2H6 (g) + 302 (g) \u003d B203 (tv) + 3H20 (g), H 10 \u003d -2035,6 kJ / mol,
2B (tv) + 3/2 O 2 (g) \u003d B 2 O 3 (tv), H 2 0 \u003d -1273,5 kJ / mol,
H2 (g) + 1/2 O2 (g) \u003d H20 (g), H 30 \u003d -241,8 kJ / mol.
3-7. Vypočítajte skupenské teplo vzniku síranu zinočnatého z jednoduchých látok pri T= 298 K na základe nasledujúcich údajov.
Tu nájdete príklady úloh na výpočet takých termodynamických parametrov ako entalpia, entropia, . Stanovenie možnosti samovoľného prúdenia procesu, ako aj zostavenie termochemických rovníc.
Úlohy do časti Základy termodynamiky s riešeniami
Úloha 1. Vypočítajte štandardnú entalpiu a štandardnú entropiu chemickej reakcie. Určte, ktorým smerom pri 298 °K (dopredu alebo dozadu) bude reakcia prebiehať. Vypočítajte teplotu, pri ktorej sú oba smery reakcie rovnako pravdepodobné.
Fe203 (c) + 3H2 \u003d 2Fe (c) + 3H20 (g)
Δ Hokres = ΣH 0 kon– ΣH 0 ref kJ/mol
Použitie referenčných údajov štandardné entalpie látky, nájdeme:
Δ Hokres= 2 Δ H 0 Fe +3 Δ H 0 H2O - Δ H 0 Fe203 - 3 Δ H 0 H2 \u003d 2 0 + 3 (- 241,82) - (-822,16) - 3 0 \u003d 96,7 kJ / mol
Δ Sokres=Σ S 0 kon– Σ S 0 ref J/(mol K)
Použitie referenčných údajov štandardné entropie látky, nájdeme:
Δ Sokres= 2 Δ S 0 Fe + 3 Δ S 0 H2O - Δ S 0 Fe203 - 3 Δ S 0 H2 = 2 27,15 + 3 188,7 – 89,96 – 3 131 = 137,44 J/(mol K)
ΔG = Δ H – TAS\u003d 96,7 – 298 137,44 / 1000 \u003d 55,75 kJ / mol
Pri T=298°K, ΔG> 0 - reakcia neprebieha spontánne, t.j. reakcia bude prebiehať v opačnom smere.
ΔG = Δ H – TAS= 0, potom
T= — (ΔG – Δ H) / ∆S= — (0-96,7)/0,137 = 705,83 tis
Pri T = 705,83 K bude reakcia prebiehať s rovnakou pravdepodobnosťou v priamom aj v opačnom smere.
Úloha 2. Vypočítajte Gibbsovu energiu a určte možnosť, že reakcia nastane pri teplotách 1000 a 3000 K.
Reakčná rovnica pre spaľovanie kvapalného sírouhlíka je nasledovná:
CS2 (1) + 302 \u003d CO2 + 2SO2
Tepelný účinok reakcie vypočítame dosadením referenčných údajov štandardných entalpií látok do výrazu:
Δ Hokres = ΣH 0 kon– ΣH 0 ref kJ/mol
Δ Hokres= 2 Δ H 0 SO2+ Δ H 0 CO2- Δ H 0 CS2 - 3 Δ H 0 O2 \u003d 2 (-296,9) + 3 (- 393,5) - 87 - 3 0 \u003d -1075,1 kJ / mol
Tie. počas spaľovania 1 mol sa uvoľňuje sírouhlík 1075,1 kJ teplo
a pri horení X krtkov sa uvoľňuje sírouhlík 700 kJ teplo
Poďme nájsť X:
X\u003d 700 1 / 1075,1 \u003d 0,65 mol
Takže ak sa v dôsledku reakcie uvoľní 700 kJ tepla, potom do reakcie vstúpi 0,65 mol CS 2
Úloha 4. Vypočítajte tepelný účinok redukčnej reakcie oxidu železitého (II) s vodíkom na základe nasledujúcich termochemických rovníc:
1. FeO (c) + CO (g) \u003d Fe (c) + C02 (g); AH1 = -18,20 kJ;
2. CO (g) + 1/202 (g) \u003d CO2 (g) AH2 \u003d -283,0 kJ;
3. H2 (g) + ½ O2 (g) \u003d H20 (g) AH3 \u003d -241,83 kJ.
Redukčná reakcia oxidu železa (II) s vodíkom má nasledujúcu formu:
4. FeO (c) + H2 (g) = Fe (c) + H20 (g)
Pre výpočet tepelného účinku reakcie je potrebné aplikovať , t.j. reakciu 4. možno získať sčítaním reakcií 1. a 2. a odčítaním reakcie 1.:
Δ Hokres= Δ H 1 + Δ H 3 – Δ H 2 \u003d -18,2 - 241,3 + 283 \u003d 23 kJ
teda tepelný účinok reakcie redukcia oxidu železitého (II) vodíkom sa rovná
Δ Hokres= 23 kJ
Úloha 5. Reakciu horenia benzénu vyjadruje termochemická rovnica:
C6H6 (g) + 7½ O2 (g) \u003d 6C02 (g) + 3H20 (g) - 3135,6 kJ.
Vypočítajte skupenské teplo vzniku kvapalného benzénu. Stanovte výhrevnosť kvapalného benzénu za predpokladu, že štandardné podmienky sú rovnaké ako normálne.
Tepelný účinok reakcie je:
Δ Hokres = ΣH 0 kon– ΣH 0 ref kJ/mol
V našom prípade Δ Hokres= - 3135,6 kJ, zistíme skupenské teplo kvapalného benzénu:
Δ Hokres= 6 Δ H 0 S O2 + 3 Δ H 0 H2O - Δ H 0 C6H6 - 7,5 Δ H 0 O2
-Δ H 0 C6H6= Δ Hokres- 3 (-241,84) + 6 (- 393,51) - 7,5 0 \u003d - 3135,6 - 3 (-241,84) + 6 (- 393,51) - 7, 5 0 \u003d - 49,02 kJ/mol
Δ H 0 C6H6 = 49,02 kJ/mol
Kalorická hodnota kvapalný benzén sa vypočíta podľa vzorca:
QT= Δ Hokres 1000 / M
M(benzén) = 78 g/mol
QT= - 3135,6 1000 / 78 = - 4,02 10 4 kJ / kg
Kalorická hodnota kvapalný benzén Q T = - 4,02 10 4 kJ / kg
Úloha 6. Oxidačná reakcia etylalkoholu je vyjadrená rovnicou:
C2H5OH (g) + 3,002 (g) \u003d 2C02 (g) + 3H20 (g).
Určte skupenské teplo C 2 H 5 OH (l) pri znalosti ΔH x.r. = - 1366,87 kJ. Napíšte termochemickú rovnicu. Určte molárne teplo vyparovania C 2 H 5 OH (g) → C 2 H 5 OH (g), ak je známe skupenstvo tepla C 2 H 5 OH (g), rovné –235,31 kJ mol -1.
Na základe uvedených údajov píšeme termochemická rovnica:
C2H5OH (g) + 302 (g) \u003d 2C02 (g) + 3H20 (g) + 1366,87 kJ
tepelný efekt reakcie rovná sa:
Δ Hokres = ΣH 0 kon– ΣH 0 ref kJ/mol
V našom prípade Δ Hokres= - 1366,87 kJ.
Použitie referenčných údajov teplo tvorby látok, zistíme skupenské teplo C 2 H 5 OH (l):
Δ Hokres= 2 Δ H 0 S O2 + 3 Δ H 0 H2O - Δ H 0 C2H5OH(l) – 3 Δ H 0 O2
- 1366,87 \u003d 2 (-393,51) + 3 (-285,84)— Δ H 0 C2H5OH - 30
Δ H 0 C2H5OH(w)\u003d -277,36 kJ / mol
Δ H 0 C2H50H(g)= Δ H 0 C2H50H(1)+ Δ H 0 odparovanie
Δ H 0 odparovanie = Δ H 0 C2H5OH(g) — Δ H 0 C2H5OH(l)
Δ H 0 odparovanie\u003d - 235,31 + 277,36 \u003d 42,36 kJ / mol
Stanovili sme, že skupenské teplo C 2 H 5 OH (l) sa rovná
Δ H 0 C2H5OH(w)\u003d -277,36 kJ / mol
a molárne teplo vyparovania C 2 H 5 OH (l) → C 2 H 5 OH (g) je
Δ H 0 odparovanie= 42,36 kJ/mol
Úloha 7. Ako možno vysvetliť, že za štandardných podmienok nie je možná exotermická reakcia:
C02 (g) + H2 (g) ↔ CO (g) + H20 (g)?
Vypočítajte ΔG tejto reakcie. Pri akej teplote sa táto reakcia stáva spontánnou?
Vypočítajte ΔG tato reakcia:
ΔG = Δ H – TAS
Aby sme to dosiahli, najprv definujeme Δ Ha ∆S reakcie:
Δ Hokres = ΣH 0 kon– ΣH 0 ref kJ/mol
Použitie referenčných údajov štandardné entalpie látky, nájdeme:
Δ Hokres= Δ H 0 H2O(l) + Δ H 0 CO- Δ H 0 CO2 - Δ H 0 H2 \u003d -110,5 + (-285,8) - (393,5) - 0 \u003d -2,8 kJ / mol
Δ Sokres=Σ S 0 kon– Σ S 0 ref J/(mol K)
Podobne pomocou referenčných údajov štandardné entropie látky, nájdeme:
Δ Sokres= Δ S 0 H2O(l) + Δ S 0 CO- Δ S 0 CO2 - Δ S 0 H2 \u003d 197,5 + 70,1 - 213,7 - 130,52 \u003d -76,6 J / (mol K)
Poďme nájsť Gibbsova energia za štandardných podmienok
ΔGokres= Δ H – TAS\u003d -2,8 + 298 76,6 / 1000 \u003d 20 kJ / mol> 0,
takže reakcia je spontánna nejde.
Zistite, pri akých teplotách táto reakcia prebieha spontánna.
V rovnovážnom stave ΔGokres = 0 , potom
T = Δ H/ ∆S = -2,8 / (-76,6 1000) \u003d 36,6 K
Úloha 8. Výpočtom na základe tabuľkových údajov ΔG a ΔS určte tepelný účinok reakcie:
2 NO (g) + Cl2 (g) ↔ 2 NOCI (g).
Pri konštantnej teplote a tlaku dochádza k zmene Gibbsova energia
ΔG = Δ H – TAS
Na základe tabuľkových údajov vypočítame ∆G a ∆S
ΔG 0 okres= Σ ΔG 0 prod — Σ ΔG 0 ref
ΔGokres= 2 ΔG 0 NOCl(G) — 2 ΔG 0 NIE(G) — ΔG 0 Cl2(d)
ΔGokres= 2 66,37 — 2 89,69 – 0 = — 40,64 kJ/mol
ΔGokres < 0 , takže reakcia je spontánna.
Δ Sokres=Σ S 0 kon– Σ S 0 ref J/(mol K)
Δ Sokres = 2 ∆S 0 NOCl(G) — 2 ∆S 0 NIE(G) — ∆S 0 Cl2(d)
Δ Sokres = 2 261,6 — 2 210,62 – 223,0 = -121,04 J/(mol K)
Poďme nájsť Δ H :
Δ H = ΔG + TAS
Δ H = - 40,64 + 298 (-121,04 / 1 000) \u003d - 76,7 kJ / mol
Tepelný účinok reakcie Δ H = - 76,7 kJ / mol
Úloha 9. S čím bude plynný chlorovodík intenzívnejšie interagovať (na 1 mol): s hliníkom alebo s cínom? Odpovedzte výpočtom ΔG 0 pre obe reakcie. Reakčnými produktmi sú pevná soľ a plynný vodík.
Vypočítajte ∆G0 na reakciu interakcie plynného chlorovodíka (na 1 mol) s hliníkom
2Al (t) + 6HCI (g) \u003d 2AlCl3 (t) + 3H2
ΔG 0 okres= Σ ΔG 0 prod — Σ ΔG 0 ref kJ/mol
ΔG 0 obvody1= 2 ΔG 0 AICI3 (t) + 3 ΔG 0 H2 — 2 ΔG 0 Al(t) — 6ΔG 0 HCl(G)
ΔG 0 obvody1= 2 (-636,8) + 30 — 20 — 6(-95,27) = -701,98 kJ/mol
Reakcie sa potom zúčastňujú 2 mol Al(t). ΔGobvody1 1 mol Al(t) sa rovná
ΔG 0 obvod 1 \u003d -701,98 / 2 \u003d -350,99 kJ / mol
Vypočítajte ∆G0 pre reakciu interakcie plynného chlorovodíka (na 1 mol) s cínom:
Sn (t) + 2 HCl (g) \u003d SnCl2 (t) + H2
ΔG 0 obvody2 =ΔG 0 SnCl2(t)+ ΔG 0 H2 — ΔG 0 Sn(t) — 2ΔG 0 HCl(G)
ΔG 0 obvod 2 \u003d -288,4 + 0- 0- 2 (-95,27) \u003d -97,86 kJ / mol
Obe reakcie majú ΔG 0 <0 , postupujú teda spontánne smerom dopredu, ale plynný chlorovodík bude intenzívnejšie interagovať s hliníkom, pretože
ΔG 0 obvod 1˂ ΔG 0 obvod 2
Úloha 10. Bez použitia výpočtov určite, ktoré znamienka (>0,<0, ≅0) имеют ΔG, ΔH и ΔS для протекающей в прямом направлении реакции:
4 HBr (g) + 02 (g) ↔ 2 H20 (g) + 2 Br2 (g)
Ako zvýšenie teploty ovplyvní smer chemickej reakcie?
Pri konštantnej teplote a tlaku Gibbsova zmena energie súvisí s entalpiou a entropiou výrazom:
ΔG = Δ H – TAS
Entalpia. Tento prvokja-
dDiagramu som venoval samostatnú tému, pretože pre mňa bol tento prvok najmenej jasný spomedzi ostatných ( teplota, obsah vlhkosti a relatívna vlhkosť) a vyžadujúce analýzu ďalších súvisiacich konceptov.
Duplikujte obrázok z predchádzajúceho článku :
Nebudem zachádzať hlboko do terminológie, len poviem, že pod entalpiou vzduchu rozumiem energiu, ktorú v sebe ukladá určitý objem vzduchu. Táto energia je potenciálna, to znamená, že v stave rovnováhy vzduch túto energiu nevynakladá a neabsorbuje ju z iných zdrojov.
Nebudem ani uvádzať príklad na objasnenie mojej definície ( hoci som chcel), pretože to podľa mňa zmätie a vyvedie z omylu.
Rovno k veci – čo je najdôležitejšie, čo si môžeme vziať z entalpie? - odpovedám - energia ( alebo množstvo tepla), ktorý sa musí preniesť do vzduchu, aby sa zohrial, alebo odobrať, aby sa ochladil ( alebo odtok).
Máme napríklad úlohu – vypočítať, aký výkon potrebujeme ohrievač, aby sme na jeseň alebo na jar dodali 1200 m3/h vonkajšieho vzduchu ohriateho na teplotu plus 20 stupňov. Odhadovaná vonkajšia teplota počas prechodného obdobia - plus 10 stupňov pri entalpii 26,5 kJ / kg ( podľa SP 60.13330.2012).
Úloha je ľahko vyriešená. Aby sme vyriešili takýto jednoduchý problém pomocou i-d diagramu, musíme do úrovne porozumenia zaviesť jednotky merania niektorých fyzikálnych veličín:
1) Entalpia - kilojoule/kilogram. To je množstvo potenciálnej energie v jednom kilograme vzduchu. Všetko je tu jednoduché - ak je entalpia 20, potom to znamená, že v jednom kilograme tohto vzduchu je 20 kilojoulov potenciálneho tepla alebo 20 000 joulov.
2) Výkon ohrievača je wattov, ale zároveň je možné watty rozložiť na joule za sekundu. To znamená, koľko energie môže ohrievač vydať za jednu sekundu. Čím viac energie nám ohrievač dokáže dať za sekundu, tým je výkonnejší. A tu je všetko jednoduché.
Takže beriemeja- dgraf a umiestnite naň bod vonkajšieho vzduchu. Potom nakreslíme rovnú čiaru ( vzduch sa ohrieva bez zmeny obsahu vlhkosti).
Získame bodj- ddiagram s teplotou plus 20 stupňov a entalpiou 36,5 kJ / kg. Vynára sa otázka - čo máme do pekla robiť s týmito posranými informáciami?! :)
Po prvé, venujme pozornosť skutočnosti, že všetky operácie sme vykonali s jedným kilogramom vzduchu ( to je nepriamo viditeľné z jednotky entalpie kJ/ kg ).
Po druhé, mali sme kilogram vzduchu s 26,5 kJ a teraz s 36,5 kJ potenciálnej energie. To znamená, že kilogramu vzduchu bolo nahlásených 10 kJ, aby jeho teplota stúpla z plus 10 stupňov na plus dvadsať.
Ďalej prevedieme 1200 m 3 / h na kg / s ( kilogramov za sekundu, pretože na ja - d graf používa tieto jednotky ), vynásobením 1200 x 1,25 kg / m 3 ( jeden kubický meter desaťstupňového vzduchu váži 1,25 kilogramu), čo nám dá 1500 kg/h a potom vydelíme 3600 ( dávajte pozor na logiku prenosu medzi systémami - delíme 3600 nie preto, že sme si to zapamätali alebo zapamätali, ale preto, že za sekundu budeme mať vzduch za menej ako hodinu, menej ako 3600 krát) dostaneme spolu 0,417 kg/s.
Pohni sa. Dostali sme, že za jednu sekundu prejde 0,417 kg vzduchu. A vieme, že každý kilogram treba preniesť ( ohlásiť) 10 kJ, aby sa zohriala na teplotu plus 20 stupňov. Uvádzame tak, že 0,417 kg/s vynásobíme 10 kJ/kg a získame 4,17 kJ/s ( kilogramov klesol) alebo 4170 J/s, čo sa rovná 4170 W ( nami definované vyššie v texte). Tak sme dostali výkon nášho ohrievača.
Kondicionovanie
Chladenie prebieha na rovnakom princípe, ale je len o niečo komplikovanejšie kvôli uvoľňovaniu vlhkosti zo vzduchu.
Uvoľňovanie vlhkosti ( kondenzát) zo vzduchu nastáva, keď teplota vzduchu počas chladenia dosiahne rosný bod na čiare 100 % relatívnej vlhkosti. V predchádzajúcom článku som opísal tento proces:
Zdá sa, že nejde o nič zložité – vzduch ochladzujeme s teplotou plus 20 stupňov a relatívnou vlhkosťou 50 % až plus 12 stupňov ( ako sa to zvyčajne stáva v rozdelených systémoch), nakreslením priamky zvisle nadol z bodu 20 stupňov vzduchu do bodu 12 stupňov vzduchu.
A to, čo vidíme, nie je uvoľňovanie vlhkosti. Obsah vlhkosti zostal na rovnakej úrovni – 8 g/kg. Vieme však, že počas prevádzky klimatizácie dochádza k hojnému uvoľňovaniu vlhkosti ( kondenzát aktívne kvapká z drenážneho potrubia, privedeného na fasádu budovy) - túto skutočnosť potvrdzuje opakované pozorovanie osoby kráčajúcej po letných uliciach.
Vynára sa otázka - odkiaľ pochádza vlhkosť? Odpoveď: cez vnútornú jednotku klimatizácie prechádzajú medené rúrky, ktoré sú chladivom ochladzované na teploty pod plus 12 stupňov a v súvislosti s tým sa ochladený vzduch delí na vrstvy s rôznymi teplotami, približne ako napr. obrázok nižšie ( predpokladajme, že rúrky sú ochladené na plus 5 stupňov). Hneď musím povedať, že toto je kresba ďaleko od reality, ale ukazuje všeobecný význam slov, ktoré som povedal vyššie ( prosím, nevyčítaj mi to)
Preto zo vzduchu, ktorý prichádza do kontaktu s rúrkami ( a plutvy) a vlhkosť sa uvoľní. A vzduch, ktorý sa nestihol ochladiť na rosný bod, alebo zvládol, no vyhýbal sa kontaktu s chladeným povrchom, obchádza proces uvoľňovania vlhkosti a nesie rovnaké množstvo vlhkosti ako pred ochladením ( v skutočnosti).
Aby sa v takomto chladiči uskutočnila správna priama línia procesu chladenia vzduchom ( kde je teplota chladiva pod teplotou rosného bodu), treba brať do úvahy každý prúd vzduchu s inými tepelnými a vlhkostnými parametrami vzduchu a nájsť na grafe miesta zmiešavania všetkých týchto prúdov - čo podľa mňa nie je reálne ( Len na to nemám rozum)! Ale…
Napadlo ma toto riešenie Asi nie som jediný) - máme teplotu nasávaného vzduchu, je tam teplota chladiva a je tam teplota vzduchu prijímaného a verím, že nám stačí urobiť čiaru pre proces ochladzovania časti vzduchu. na plus 5 stupňov a nájdite bod zmiešania 5 stupňového vzduchu a 20 stupňového vzduchu. To znamená, predpokladám, že pri prechode vnútornou jednotkou klimatizácie sa vzduch rozdelí na dva prúdy - ten, ktorý sa ochladí na plus päť stupňov a dáva nám najväčšie množstvo vlhkosti, a ten, ktorý sa neochladzuje pri všetky a na výstupe sa tieto dva prúdy miešajú a vytvárajú prúd vzduchu s teplotou plus 12 stupňov a určitým obsahom vlhkosti.
Verím, že na dosiahnutie cieľov, ktoré sledujem, je výsledok dosiahnutý takýmto zjednodušením úplne postačujúci. A aké sú moje ciele?
Prvým cieľom je určiť maximálne odvlhčenie pre návrh systému odvodu kondenzátu ( To platí najmä pre klimatizačné systémy, ktoré obsahujú dve alebo viac chladiacich jednotiek.)
Druhým cieľom je vziať do úvahy množstvo chladu použitého na prechod vody z plynného do kvapalného skupenstva ( na kondenzáciu vlhkosti; tzv skrytý chladiaci výkon ). To platí najmä pri chladení odvod tepla) vo vlhkých priestoroch. Napríklad z určitého čerpadla potrebujeme odobrať 2 kW tepla, ktoré vypustí do miestnosti. Ak neberieme do úvahy, že miestnosť je vlhká ( mokré, z akéhokoľvek dôvodu) a nainštalujte do miestnosti 2,5 kW split systém, potom môžeme získať ( za určitých podmienok), že split systém spotrebuje 1 kW iba na premenu pary na vlhkosť a zvyšných 1,5 kW minie na odvádzanie prebytočného tepla, čo je o 500 W menej, ako je potrebné, a čo môže viesť k prehriatiu čerpadla a jeho predčasnému zlyhaniu.
Tok teda rozdelíme na dva toky, z ktorých jeden sa ochladí na plus päť - segment 1-2 a druhý zostane nedotknutý - bod 1.
Zmiešame tieto dva prúdy, spojíme výsledné body čiary 1-3-2 a nájdeme náš 12-stupňový bod na výslednej čiare.
Priamku 1-3 necháme ako líniu procesu ochladzovania vzduchom v suchom chladiči od teploty plus 20 stupňov do plus 12 stupňov s uvoľňovaním kondenzátu.
Za účelom zistite množstvo kondenzátu, ktorý spadol na rebrá a rúrky chladiča od vlhkosti surového vzduchu 7,3 g/kg – 6,3 g/kg potrebujeme odpočítať vlhkosť výsledného vzduchu. Výsledkom je, že z každého kilogramu vzduchu, ktorý prejde chladičom, sa uvoľní 1 gram kondenzátu. Na zistenie prietoku kondenzátu potrebujeme vedieť, koľko kilogramov vzduchu prejde výmenníkom tepla za určitý čas. Napríklad, ak potrebujeme ochladiť 1400 m 3 /h vzduchu z teploty plus 20 stupňov s relatívnou vlhkosťou 50% na teplotu plus 12 stupňov, potom preložíme 1400 m 3 / h na 1680 kg / h a získajte 1680 gramov kondenzátu ( jeden gram na každý kilogram vzduchu), čo sa rovná 0,47 g/s ( gram/sekundu) a 0,47 x 10-3 kg/s.
Celkový chladiaci výkon sa nachádza rovnakým spôsobom, ako sme predtým hľadali tepelný výkon ohrievača. Zoberieme entalpiu počiatočného bodu 28 kJ / kg, odpočítame od nej entalpiu koncového bodu 38,5 kJ / kg, čím dostaneme záporné číslo 10,5 kJ / kg ( mínus znamená, že do chladiva sa dodáva energia). Prevedieme 1680 kg / h na kilogram / sekundu, čo sa bude rovnať 0,47 kg / s. Vo výsledku tak dostaneme 4,935 kJ/s, čo sa rovná 4,935 kW výkonu.
Prihlásiť sa na odber môjho kanál YouTubeFAN-tastiK - kanál o návrhu vetrania, klimatizácie a kúrenia
Ak je to nevyhnutné určiť latentnú chladiacu kapacitu, môžete to zistiť, počnúc množstvom uvoľneného kondenzátu, pomocou špecifického tepla vyparovania:
Teplo potrebné na kondenzáciu vlhkosti sa zistí podľa vzorca:Q =
L *
m,
kdeL - špecifické výparné teplo;m - hmotnosť vlhkosti.
L vody sa rovná: 2260 kJ / kg.
Aby sme za sekundu preniesli 0,47 gramov vody z plynného stavu do kvapalného stavu, potrebujeme 2260 J * 10 3 * 0,47 kg / s * 10 -3 \u003d 1063 J / s, čo sa rovná 1 063 W.
Takže latentná chladiaca kapacita tohto procesu je 1063 W.
To je všetko
V skutočnosti je to všetko, čo som chcel v tomto článku zvážiť. Nekarhajte ma prosím za naivnú jednoduchosť toho, čo som opísal - snažil som sa vysvetliť predovšetkým sám sebe - čo je to entalpia a ako ju používať. Dúfam, že to bude pre vás zaujímavé a užitočné. Ďakujem za tvoju pozornosť.
P.S. Tento článok v žiadnom prípade nie je návodom. Je to len môj subjektívny pohľad na vec. Dokonca by som povedal - každé slovo napísané v tomto článku je chybné. Hľadajte v učebniciach informácie hodné titulu „Vedecká pravda“.
Úloha 1. Vypočítajte štandardnú entalpiu a štandardnú entropiu chemickej reakcie. Určte, ktorým smerom pri 298 °K (priamy alebo reverzný) bude prebiehať reakcia Fe203 (c) + 3H2 \u003d 2Fe (c) + 3H20 (g). Vypočítajte teplotu, pri ktorej sú oba smery reakcie rovnako pravdepodobné.
ΔHr-tion = Σ∆H 0 prod – Σ∆H 0 ref. Pomocou referenčných údajov štandardných entalpií látok zistíme:
ΔHp-tion \u003d (2 AH 0 Fe + 3 AH 0 H 2 O) - ( AH 0 Fe 2 O 3 + 3 AH 0 H 2) \u003d 2 0 + 3 (- 241,82) - ( -822,16) - 3 0 = 96,7 kJ.
ΔSp-tion \u003d ΣS 0 prod - ΣS 0 ref. Pomocou referenčných údajov štandardných entropií látok zistíme:
ΔSr-tion \u003d (2S0Fe + 3S0H2O) - (SoFe203 + 3S0H2) \u003d 2 27,15 + 3 188,7 - 89,96 - 3 131 = 137,44 J/ kJ/K.
ΔG \u003d ΔH - TAS \u003d 96,7 - 298 0,13744 \u003d 55,75 kJ.
Pri T=298°K, ΔG > 0 reakcia neprebieha spontánne, t.j. reakcia bude prebiehať v opačnom smere.
ΔH – TΔS = 0, potom ΔH = TΔS a T= ΔH/ΔS= 96,7/0,13744 = 703,58 K.
Pri T=703,58K bude reakcia prebiehať s rovnakou pravdepodobnosťou v doprednom aj v opačnom smere.
Úloha 2. Vypočítajte Gibbsovu energiu a určte možnosť, že reakcia nastane pri teplotách 1000 a 3000 K. Cr 2 O 3 (t) + 3C (t) \u003d 2Cr (t) + 3CO (g).
Gibbsovu energiu vypočítame podľa výrazu:
Pomocou referenčných údajov štandardných entalpií látok zistíme:
ΔHp-tion \u003d (2 AH 0 Cr + 3 AH 0 CO) - (AH 0 Cr20 3 + 3 AH 0 C) \u003d 2 0 + 3 (- 110,6) - (-1141) - 3 0 = 809 kJ.
Podobne pomocou referenčných údajov štandardných entropií látok zistíme:
ΔSp-tióny \u003d (2S0Cr + 3S0CO) - (S0Cr203+3S0C) \u003d 23,6 + 3 197,7 – 81,2 - 35,7 = 542 J/K = 0,542 kJ/K.
Nájdite Gibbsovu energiu pri 1000 K:
ΔG 1000 \u003d ΔH - TAS \u003d 809,2 - 1000 0,542 \u003d 267,2 kJ
∆G1000 >
Nájdite Gibbsovu energiu pri 3000 K:
ΔG 3000 = ΔH - TΔS = 809,2 - 3 000 0,542 = - 816,8 kJ
ΔG3000 ˂0, preto reakcia prebieha spontánne.
Úloha 3. Ako možno vysvetliť, že za štandardných podmienok nie je možná exotermická reakcia: CO 2 (g) + H 2 (g) ↔ CO (g) + H 2 O (l)? Vypočítajte ΔG tejto reakcie. Pri akej teplote sa táto reakcia stáva spontánnou?
Vypočítajte ΔG tejto reakcie:
∆G = ∆H – T∆S
Aby sme to dosiahli, najprv určíme ΔH a ΔS reakcie:
ΔHr-tion = Σ∆H 0 prod - Σ∆H 0 out a ΔSr-tion \u003d ΣS 0 prod - ΣS 0 out.
Pomocou referenčných údajov štandardných entalpií a entropií látok zistíme:
ΔHp-tion \u003d (ΔH 0 H 2 O (l) + AH 0 CO) - (AH 0 CO 2 + AH 0 H 2) \u003d -110,5 + (-285,8) - (393,5) - 0 \u003d -2,8 kJ.
ΔSp-tion \u003d S 0 H 2 O (l) + S 0 CO - S 0 CO 2 - S 0 H 2 \u003d 197,5 + 70,1 - 213,7 - 130,52 \u003d -76,6 J / K \u003d 0,0766 kJ / K.
Poďme nájsť Gibbsovu energiu za štandardných podmienok
ΔGr-tions \u003d ΔH - TAS \u003d -2,8 + 298 0,0766 \u003d 20 kJ
ΔG> 0, preto reakcia neprebieha spontánne.
Zistite, pri akých teplotách sa táto reakcia stáva spontánnou: T = ΔH / ΔS = -2,8 / (-0,0766) = 36,6 K.
Úloha 4. Výpočtom na základe tabuľkových údajov ΔG a ΔS určte tepelný účinok reakcie: 2NO (g) + Cl 2 (g) ↔ 2NOCl (g). S čím bude plynný chlorovodík intenzívnejšie interagovať (na 1 mol): s hliníkom alebo s cínom? Odpovedzte výpočtom ΔG 0 pre obe reakcie. Reakčnými produktmi sú pevná soľ a plynný vodík.
Vypočítajte ΔG 0 pre reakciu plynného chlorovodíka (na 1 mol) s hliníkom:
2Al (t) + 6HCI (g) \u003d 2AlCl3 (t) + 3H2
ΔG 0 p-tion = ΣΔG 0 prod - ΣΔG 0 ref
ΔG 0 okres 1 \u003d (2 AG 0 AlCl 3 +3 AG 0 H 2) - (2 AG 0 Al + 6 AG 0 HCl)
ΔG 0 obvod 1 \u003d 2 (-636,8) + 3 0- 2 0- 6 (-95,27) \u003d -701,98 kJ
Reakcie sa zúčastňujú 2 mol Al, potom sa ΔGp-tion 1 1 mol Al rovná AG 0 p-tion 1 \u003d -701,98 / 2 \u003d -350,99 kJ.
Vypočítajte ΔG 0 pre reakciu plynného chlorovodíka (na 1 mol) s cínom:
Sn (t) + 2 HCl (g) \u003d SnCl2 (t) + H2
AG 0 p-tion 2 \u003d (AG 0 SnCl2 (t) + AG 0 H2) - (AG 0 Sn + AG 0 HCl)
ΔG 0 r-tion 2 \u003d -288,4 + 0- 0- 2 (-95,27) \u003d -97,86 kJ / mol
Obe reakcie majú ΔG0˂0, takže prebiehajú spontánne v smere dopredu, ale plynný chlorovodík bude s hliníkom interagovať intenzívnejšie, pretože ΔG 0 r-tion 1 ˂ ΔG 0 r-tion 2
Úloha 5. Bez použitia výpočtov určite, ktoré znamienka (>0,<0, ≈0) имеют ΔG, ΔH и ΔS для протекающей в прямом направлении реакции: 4НBr (г) + O 2 (г) ↔2H 2 O(г) +2Br 2 (г).
Pri konštantnej teplote a tlaku súvisí zmena Gibbsovej energie s entalpiou a entropiou výrazom:
∆G = ∆H – T∆S.
Entropia je mierou neusporiadanosti systému. Hodnota entropie je tým väčšia, čím väčší je neporiadok v systéme (čím viac plynných látok). Pri tejto reakcii je počet mólov plynov na pravej strane 5 a na ľavej strane 4, čo znamená, že entropia systému klesá ΔS˂0.
Podľa stavu problému reakcia prebieha v smere dopredu, teda ΔG˂0.
Za normálnych podmienok TΔS ˂˂ ΔH, preto je v tomto prípade ΔH20 exotermická reakcia.
