Giáo trình cơ sở lý thuyết hoá học - Chương 5

Nhiệt động học nghiên cứu quy luật điều khiển sự trao đổi năng lượng bao gồm 2 quan điểm: 1. Quan điểm cổ điển: chỉ thiết lập hệ thức năng lượng với áp suất (P), thể tích (V), nhiệt độ (T) mà không chú ý đến cấu tạo của nguyên tử, phân tử và cơ chế chuyển hoá. 2. Quan điểm nhiệt động học thống kê: Xác định năng lượng dựa vào tính chất của các nguyên tử và phân tử. Nhiệt động học áp dụng vào hoá học được gọi là nhiệt động học hoá học. Nội dung...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình cơ sở lý thuyết hoá học - Chương 5 Chương 5 NHIỆT ĐỘNG HOÁ HỌC Nhiệt động học nghiên cứu quy luật điều khiển sự trao đổi năng lượng bao gồm 2 quan điểm: 1. Quan điểm cổ điển: chỉ thiết lập hệ thức năng lượng với áp suất (P), thể tích (V), nhiệt độ (T) mà không chú ý đến cấu tạo của nguyên tử, phân tử và cơ chế chuyển hoá. 2. Quan điểm nhiệt động học thống kê: Xác định năng lượng dựa vào tính chất của các nguyên tử và phân tử. Nhiệt động học áp dụng vào hoá học được gọi là nhiệt động học hoá học. Nội dung chủ yếu của nhiệt động hoá học dựa trên ba nguyên lý cơ bản của nhiệt động học. Trên cơ sở vận dụng ba nguyên lý cơ bản này, nhiệt động hoá học cho phép :- Tính được năng lượng trao đổi của phản ứng hoá học- Tiên đoán được chiều của của phản ứng hoá học- Giới hạn tự diễn biến của một phản ứng hoá học. 5.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHIỆT ĐỘNG HỌC 5.1.1. Hệ và môi trường Hệ là một vật, một nhóm vật được tách riêng ra có thực hoặc bằng sự tưởng tượng để nghiên cứu; phần còn lại là môi trường. Hệ nhiệt động học được phân chia thành nhiều loại khác nhau: * Hệ đồng thể: có tính chất đồng nhất ở tất cả mọi điểm của hệ. Ví dụ, khí nén trong bình, rượu chứa trong chai... (một pha) * Hệ dị thể (hệ có hai pha trở lên): có tính chất không đồng nhất trong đó các phần khác nhau của hệ được phân chia với nhau bằng bề mặt vật lý. Ví dụ, nước và nước đá ở 0 OC... * Hệ vật lý: hệ mà trong đó xảy ra các quá trình thay đổi vật lý nhưng không có sự thay đổi về bản chất hoá học. Ví dụ, sự biến đổi các trạng thái vật chất ở nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi. 49 * Hệ hoá học: hệ mà trong đó có một phần hoặc tất cả các thành phần hoá học tác dụng với nhau – có sự thay đổi về bản chất hoá học. Ví dụ, Zn và H2SO4 chứa trong cốc thuỷ tinh.Hệ hở: có sự trao đổi chất và trao đổi nhiệt với môi trường. * Hệ kín: có sự trao đổi nhiệt nhưng không trao đổi chất với môi trường. * Hệ đoạn nhiệt: Có sự trao đổi chất nhưng không có sự trao đổi nhiệt với môi trường. * Hệ cô lập: Không có sự trao đổi chất và không có sự trao đổi nhiệt với môi trường. Trên thực tế hệ này rất khó tồn tại. Ví dụ, hệ gần đúng cho trường hợp này là quá trình nổ của một quả bom. ở đây, sự cho và nhận năng lượng giữa hệ và môi trường xảy ra quá nhanh so với sự thay đổi năng lượng của hệ theo thơì gian. 5.1.2. Quy ước về dấu của năng lượng trao đổi : Các loại năng lượng trao đổi: cơ năng, nhiệt năng, điện năng, năng lượng bức xạ. Đơn vị: Jun (đơn vị thứ nguyên hệ SI). 1J là công do lực 1N thực hiện trên quảng đường 1 m. Năng lượng giải phóng ( phát nhiệt, toả nhiệt, bức xạ nhiệt ) có dấu âm (-). Năng lượng thu vào (hấp thụ nhiệt, thu nhiệt) có dấu dương (+). 5.1.3. Trạng thái và thông số trạng thái : Trạng thái là một tập hợp trực tiếp hay gián tiếp của các thông số trạng tháiThông số trạng thái là các đại lượng: nhiệt độ T, áp suất P, thể tích V, khối lượng m, thành phần hoá học... Có 2 loại thông số trạng thái: thông số dung độ và thông số cường độ : * Thông số dung độ: Thông số dung độ (tiếng Latinh, additio nghĩa là cộng) - tính chất của hệ vật chất có thể tính được từ các tính chất của các thành phần tương ứng cấu tạo nên nó. Ví dụ, khối lượng phân tử bằng tổng khối lượng các nguyên tử; Điện tích hạt nhân nguyên tử bằng tổng điện tích của các proton... 50 *Thông số cường độ: Thông số cường độ không có tính chất cộng tính, không phụ thuộc vào yếu tố dung độ. Ví dụ, nhiệt độ của nước (cường độ) không phụ thuộc vào thể tích và khối lượng của nó. * Cân bằng nhiệt động: Một hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động khi giá trị của các thông số trạng ở mọi điểm đều như nhau và không biến đổi theo thời gian. 5.1.4. Biến đổi thuận nghịch và bất thuận nghịch : * Biến đổi thuận nghịch: Một hệ đang ở trạng thái cân bằng (P,V,T) chuyển qua cân bằng mới (P,V,T1) bằng sự thay đổi T → T1 qua nhiều bậc Ti khác nhau: (P,V,T) → (P,V,T1’) → (P,V,T1’’) → (P,V,T1’’’) → ... → (P,V,T1) được gọi là sự biến đổi thuận nghịch (do có sự thay đổi vô cùng nhỏ nên trong từng bậc hệ có thể trở lại trạng thái ban đầu). * Biến đổi bất thuận nghịch: Biến đổi bất thuận nghịch là biến đổi chỉ xảy ra nhanh, qua một bước lớn. Nó hoàn toàn ngược lại với biến đổi thuận nghịch là hệ không thể trở lại trạng thái ban đầu. Vậy: Biến đổi thuận nghịch là quá trình cân bằng; Biến đổi bất thuận nghịch là quá trình tự diễn biến. 5.1.5. Hàm trạng thái : Một hàm nhiệt động được gọi là hàm trạng thái nếu sự thay đổi giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào các giá trị thông số trạng ở đầu và cuối mà không phụ thuộc vào các ...