Giáo trình - Nhiệt động lực học - chương 8

Chương 8 NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC 8.1. Ứng dụng định luật nhiệt động một cho các phản ứng hóa học 8.1.1. Khái niệm Trước đây ta nghiên cứu các quá trình nhiệt động của môi chất, khi mà các thành phần hóa học của chúng không thay đổi (không xảy ra phản ứng hóa học). Thực tế trong các thiết bị năng lượng có những quá trình trong đó có xảy ra phản ứng hóa học. Ví dụ: quá trình cháy nhiên liệu trong buồng đốt (lò hơi, tuabin khí) hay trong xylanh (động cơ đốt trong). Trong quá trình...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình - Nhiệt động lực học - chương 8 Chương 8 NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC 8.1. Ứng dụng định luật nhiệt động một cho các phản ứng hóa học 8.1.1. Khái niệm Trước đây ta nghiên cứu các quá trình nhiệt động của môi chất, khi mà các thành phần hóa học của chúng không thay đổi (không xảy ra phản ứng hóa học). Thực tế trong các thiết bị năng lượng có những quá trình trong đó có xảy ra phản ứng hóa học. Ví dụ: quá trình cháy nhiên liệu trong buồng đốt (lò hơi, tuabin khí) hay trong xylanh (động cơ đốt trong). Trong quá trình cháy, khi ở nhiệt độ cao còn xảy ra quá trình phân ly (phản ứng ngược chiều) các phân tử phức tạp thành các phân tử đơn giản hơn. Trong các thiết bị bốc hơi, thiết bị làm lạnh của máy lạnh cũng có các phản ứng hóa học xảy ra. Trong phần trước, trạng thái của môi chất được xác định khi biết hai thông số trạng thái độc lập, ở đây phải biết ba thông số. Ngoài các thông số trạng thái đã biết trước đây, còn thêm một thông số nữa đó là nồng độ, thường được ký hiệu là C. Nồng độ là lượng vật chất (mol, …) chứa trong một đơn vị thể tích (m3). Thực tế, với các phản ứng hóa học đáng chú ý là các quá trình đẳng tích-đẳng nhiệt (phản ứng xảy ra trong hệ kín), quá trình đẳng áp-đẳng nhiệt (phản ứng xảy ra trong hệ hở). Ở đây cần chú ý rằng, sự không đổi của các thông số chỉ tính ở trạng thái đầu và cuối, còn các giá trị trung gian có thể khác nhau. Trong chương này, nội năng của các chất bao gồm nội nhiệt năng và nội hóa năng (không kể đến các dạng nội năng khác). Tuy nhiên, như đã nói, khi chỉ nghiên cứu tới các quá trình đẳng nhiệt thì biến đổi nội năng xem như bằng không. Vậy, khái niệm nội năng ở đây ám chỉ nội hóa năng. Trong các phản ứng hóa học ngoài công thay đổi thể tích, công kỹ thuật, hệ còn có thể thực hiện công khác như cơ năng, điện năng,… Tuy nhiên, ở đây ta không xét tới các dạng công khác đó. Trong phần này ta sẽ quy ước dấu của nhiệt lượng Q trong các phản ứng hóa học giống như trong các sách hóa học thường dùng (ngược với quy ước dấu trong các phần trước đã học). Đó là: phản ứng tỏa nhiệt Q > 0 (trước đây là nhiệt lấy ra nên có giá trị âm); phản ứng thu nhiệt Q < 0 (trước đây là nhiệt đem vào có giá trị dương). 8.1.2. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng Hiệu ứng nhiệt của phản ứng là lượng nhiệt lớn nhất mà hệ (các chất tham gia phản ứng) trao đổi với môi trường, ở đây chính là lượng nhiệt trong phản ứng hóa học sinh ra (hoặc hấp thụ) một cách thuận nghịch và không thực hiện công ngoài với môi trường. Theo phương trình định luật nhiệt động I dạng tổng quát, khi ký hiệu nhiệt với các quy ước dấu của nó là Q’, ta có: Q = ∆W + l n12 (a) Ở đây theo định nghĩa nhiệt phản ứng, ta có ln12 = 0 và với cách quy ước dấu mới ngược với cũ, ta có Q’ = -Q. Vậy từ (a) ta có biểu thức xác định nhiệt phản ứng: −Q = ∆W hay Q = −∆W = W1 − W2 (b) Ở đây: W1 – năng lượng toàn phần của chất tham gia phản ứng W2 – năng lượng toàn phần của sản phẩm phản ứng. Từ (b) ta thấy nhiệt sinh ra do sự giảm năng lượng toàn phần của hệ. Với quá trình đẳng tích - đẳng nhiệt (hệ kín), ta có ∆W = ∆U , vậy từ (b) ta có: QV = U1 − U 2 (8-1) Với quá trình đẳng áp - đẳng nhiệt (hệ hở), ta có ∆W = ∆I (khi bỏ qua động năng và thế năng), vậy từ (b) ta có: Qp = I1 − I 2 (8-2) Ta biết rằng I = U – pV, khi p = const thì ∆I = ∆U + p∆V . Vậy từ (8-2) ta có: 130PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com QP = − ( I 2 − I1 ) = −∆I = −∆U − p∆V QP = U1 − U 2 − p ( V2 − V1 ) (8-3) QP = Q V − p ( V2 − V1 ) Biểu thức trên nêu lên mối quan hệ giữa nhiệt phản Qp và Qv. Ta có thể biến đổi (8-3) như sau: gọi số mol của các chất tham gia phản ứng là n1, số mol của các chất tạo thành sau phản ứng là n2 (chỉ tính cho các chất khí không kể đến chất lỏng và chất rắn). Biến đổi số mol ∆n = n 2 − n1 . Khi coi các khí trong phản ứng là khí lý tưởng, ta có phương trình trạng thái của khí trong phản ứng p = const, T = const như sau: pV1 = n1R µ T pV2 = n 2 R µ T Từ đây ta có: p ( V2 − V1 ) = ( n 2 − n1 ) R µ T = ∆nR µ T (c) ...