Реферат: Задачі з Хімії
Подібна задача. Чи можливо записати у вигляді рівняння перший закон термодинаміки? Перший закон термодинаміки – поодинокий випадок закону збереження енергії, що використовується для опису термічних явищ. Перший закон термодинаміки є постулатом, тобто таким твердженням, яке приймається без доказу. Формулювань першого закону термодинаміки існує декілька, наведемо деякі з них: 1. Різні форми енергії переходять з одної в іншу в точно еквівалентних співвідношеннях.
2. Запас енергії ізольованої системи незмінний.
3. Вічний двигун першого роду неможливий (це такий, що може виконувати роботу без витрати енергії).
Є також декілька математичних виразів написання першого закону термодинаміки. З ними поступово ознайомимося, а поки деякі з них: dQ = dU +dA, де dQ – кількість теплоти, яка підводиться до системи; dU – збільшення внутрішньої енергії системи; dA – робота, яку виконує система. Якщо теплообмін системи протікає при постійному тиску, то тоді кількість теплоти позначають dQp і в термодинаміці її називають зміною ентальпії системи та позначають dH. . Якщо теплообмін системи протікає при постійному об’ємі, то таку кількість теплоти позначають dQv і вона кількісно дорівнює dU (зміні внутрішньої енергії системи).Робота dA = рdV, де р-тиск, dV- зміна об’єму системи. Тому перший закон термодинаміки часто записують у вигляді рівняння DH = DU + pDV. Якщо урахувати рівняння для ідеального газу pV = nRT, то можна записати pDV = DnRT, і тоді отримаємо ще один вираз першого закону термодинаміки DH = DU + DnRT , який також будемо часто використовувати. В останньому рівнянніDn – зміна числа молів газоподібних речовин у результаті реакції, R – універсальна газова стала (8,31 Дж/(моль . К), T – температура (К). (відповідь – можливо).
Задача N8. Які процеси можуть протікати в закритій системі при підводі до неї енергії, наприклад, шляхом її нагрівання при постійному тиску в системі? (відповідь - внутрішня енергія системи буде зростати, а сама система буде виконувати роботу проти зовнішніх сил)
Подібна задача. Як будуть змінюватись термодинамічні властивості закритої системи при поглинанні єю теплоти за умов, що об’єм системи остається незмінним?Наприклад, візьмемо систему, що складається з газу. Уявимо собі, що газ знаходиться в циліндрі з поршнем, який з силою Р тисне на нього (див. рисунок). Далі, для спрощення, будемо нехтувати теплом, що поглинається циліндром і поршнем, а також роботою тертя поршня і циліндра. Тобто, виділяємо в системі тільки газ і розглядаємо його як систему, що поглинає теплоту. При цьому розглянемо два випадки. Перший – газ нагрівається при сталому тиску, кількість теплоти, що він поглинає, позначимо Qp. Другий – газ нагрівається при сталому об’ємі, кількість теплоти, що поглинається при цьому, позначимо Qv. Якщо газ будемо нагрівати до однакової температури, то кількість теплоти, що поглинається в першому та другому випадках, буде різною. У першому випадку частина теплоти піде на зміну (збільшення) внутрішньої енергії газу (DU) і на виконання роботи А проти сили Р переміщенням поршня на величину Dl (А = pDV, де DV - зміна об’єму газу). У другому випадку Dl = 0; DV = 0; А = 0, а теплота буде витрачена тільки на зміну внутрішньої енергії газу (DU). (Відповідь – А = 0, DU>0)
р
D l
Q ГАЗ
Задача N9. Як зміниться внутрішня енергія ізольованої системи при протіканні в ній будь - якого процесу ? (відповідь – не зміниться)
Подібна задача. Чи може виконати якусь роботу ізольована система проти зовнішніх сил? За визначенням, ізольована система - це така, що не обмінюється з навколишнім середовищем масою, енергією і не змінює свій об’єм (DV). Виходячи з першого закону термодинаміки, що записаний у вигляді DH = DU + рDV або dQ = dU +dA, dA = 0, бо DV, а DH = 0, за визначенням. (відповідь – не може).
Задача N10. Чи може система виконати роботу без підведення енергії до системи ? (відповідь – може, за рахунок зменшення її внутрішньої енергії)
Подібна задача. Чи може система постійно виконувати роботу без підведення енергії до системи?
Будь - яка система не може тривало виконувати роботу без витрати енергії, що витікає з першого закону термодинаміки, який можна записати у вигляді: А= pDV= DH - DU. Підведення енергії за умови задачі відсутнє, тобто DH = 0, а за рахунок зменшення внутрішньоі енергії (-DU) робота не може виконуватись постійно, тому що її запас обмежений. (відповідь – ні)
Задача N11. Чи може система виконати будь-яку роботу, якщо її об ’ єм не змінюється ? (відповідь – ні)
Подібна задача. На що витрачається теплова енергія, яка підводиться до системи при незмінному її об’ємі? З першого закону термодинаміки у виглядіDH = DU + pDV витікає, що при незмінному об’ємі системи, тобто DV= 0, А=0 і DH = DU. З підведенням теплоти до системи DH >0 (процес ендотермічний, система поглинає енергію) вся теплота витрачається на збільшення внутрішньої енергії системи (DU > 0). З відведенням теплоти від системи DH < 0 (процес екзотермічний, система виділяє енергію в навколишнє середовище) вся теплота виділяється в навколишнє середовище за рахунок зменшення внутрішньої енергії системи (DU < 0). (відповідь – на збільшення внутрішньої енергії системи)
Задача N12. Чи може температура системи залишатися незмінною з підведенням до неї певної кількості енергії (теплоти) ? ( відповідь – може)
Подібна задача. Які процеси відбуваються в системі за збільшенням її внутрішньої енергії? Внутрішня енергія системи, за визначенням, складається з поступальної, обертальної та енергії коливань всіх частин системи, а також енергії зв’язку частин системи між собою. Таке визначення свідчить про те, що поняття внутрішньої енергії не просте, а тому потребує трохи пояснень. Частинами системи можуть бути великі і малі її частини, зокрема, окремі атоми, молекулярні групи і нуклони, які є складовими частинами ядер атомів. Якщо узяти за приклад системи шматок заліза за стандартних умов, то в кристалічній решітці кожний атом коливається з деякою амплітудою. Вона залежить від температури і з її підвищенням (нагріванням заліза) зростає. З нагріванням частина теплоти витрачається на коливання атомів у кристалічній решітці, а з охолодженням амплітуда коливань зменшується, і енергія коливань атомів передається в навколишнє середовище. Таким чином, теплота, яка підводиться до системи, може витрачатись на поступальні, коливальні таобертальні рухи частин системи, а також атомів чи їх угрупувань. Енергія зв’язку - це фактично енергія, яка вилучається при перекриванні електронних орбіталей електронів окремих атомів між собою, а також енергія зв’язку нуклонів в ядрі атомів. З утворенням цих зв’язків енергія вилучається в навколишнє середовище, і для того, щоб їх розірвати, потрібно таку ж кількість енергії витратити. Енергія зв’язку електронів - це рівень хімічних і низки фізичних процесів, а енергія зв’язку нуклонів - це рівень ядерних реакцій. Визначити весь комплекс складових внутрішньої енергії (U) неможливо, а тому в хімічній термодинаміці розраховують тільки зміну внутрішньої енергії системи (DU). З тієї ж причини неможливо розрахувати абсолютне значення ентальпії системи, бо ентальпія і внутрішня енергія зв’язані між собою (див. перший закон термодинаміки), а тому визначають тільки її зміну (DH). (відповідь – складний комплекс процесів, пояснення див. вище)
Задача N13. За яких умов потрібно більше теплоти (при р = const чи v = const), щоб нагріти циліндр з газом від температури Т1 до температури Т2 ? ( відповідь – при р = const)
Подібна задача. За яких умов нагрівання газу буде супроводжуватись тільки зміною внутрішньої енергії системи? Відповідно до першого закону термодинаміки DH = DU + pDV або Qp = Qv + DV. Звідси виходить, що коли об’єм системи не змінюється (DV = 0), то DH = DU або Qp = Qv. Тому вся теплота, що підведена до системи при незмінному об’ємі, витратиться тільки на збільшення внутрішньої енергії системи. (відповідь – при постійному об’ємі)
Задача N14. Тепловий ефект якої з наведених нижче хімічних реакцій відповідає стандартній теплоті (ентальпії) утворення вуглекислого газу ?
1. Cалмаз + О2 = СО2
2. Сграфіт + О2 = СО2
3. 2СО + О2 = 2СО2
4. 1/2Сграфіт + ½О2 = ½ СО2 (відповідь – другої)
Подібна задача. Яка кількість теплоти вилучається чи поглинається з утворенням 1 г води з кисню та водню за стандартних умов? Задачу можна розв’язати, використавши значення стандартної теплоти (ентальпії) утворення води. Стандартною ентальпіею (теплотою) утворення хімічної сполуки називається така кількість теплоти, яка вилучається чи поглинається з утворенням одного моля речовини за стандартних умов з простих речовин, що взяті в стійкій формі. Це одне з основних понять у термодинаміці. Значення стандартної ентальпії утворення наведені в довідниках з термодинамічних властивостей речовин, позначається вона DHо і має розмірність кДж/моль. Для простих речовин, що взяті в стійкій формі, DHо = 0.Так, стандартна ентальпія утворення складної речовини, наприклад, сірчаної кислоти (див. рекомендований довідник) має значення -813,99 кДж/моль. Це означає, що підчас протікання реакції Н2 + S + 2O2 = H2 SO4 , в результаті якої утворюється 1 моль (98г) сірчаної кислоти, вилучається (реакція екзотермічна DHо < 0) 813990 Дж теплоти. Термодинаміка завжди оперує поняттями початковий та кінцевий стан системи. Так, якщо система в початковому стані являла собою суміш простих речовин (Н2 + S + 2O2 ), то в кінцевому стані вона є хімічною сполукою (H2 SO4 ). При цьому система вилучила в навколишнє середовище 813990 Дж теплоти. Виходячи з останнього прикладу, зрозуміло, що поняття стандартної ентальпії утворення є формалізованим, тому що наведена реакція за стандартних умов протікати не буде. Повертаючись до запитання в задачі, за допомогою довідника знайдемо, що DHо для рідкої води має значення -285,83 кДж/моль, тобто з утворенням 18 г води вилучається 285830 Дж теплоти, а з утворенням 1г вилучається 15879 Дж теплоти. (відповідь – вилучається 15879 Дж теплоти)
Задача N15. Розрахуйте, яка кількість теплоти вилучається під час взаємодії 1 м3 метану з киснем за стандартних умов при р = const та v =const. (далі будемо писати скорочено “ ст.ум. ” , а коли умови не указані, то будемо визнавати їх стандартними). ( відповідь - при р =const вилучається 2,22 × 104 , а при v=const - 2,20 × 104 кДж теплоти)