Материал: Методические указания к самостоятельной внеаудиторной работе по физической химии для студентов по специальности Производство строительных материалов. Кривнева Г.Г

21

М инистерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра физики и химии

Физическая химия

Методические указания

к самостоятельной внеаудиторной работе по физической химии

для студентов, обучающихся по специальности 270106

«Производство строительных материалов, изделий и конструкций»

Воронеж 2011

У ДК 544

ББК 24.5

Составитель

Г.Г. Кривнева

Физическая химия: метод. указания к самост. внеаудиторн. работе по физической химии студентов, обучающихся по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций». / Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т; сост.: Г.Г. Кривнева. – Воронеж, 2011. – 20 с.

Методические указания составлены в соответствии с Государственным образовательным стандартом по дисциплине «Физическая химия» для студентов, обучающихся по специальности 270106 «Производство строительных материалов и конструкций».

Предназначены для самостоятельной подготовки студентов к лабораторным занятиям по основным разделам курса физической химии.

Данные указания составлены в помощь студентам при подготовке к лабораторным занятиям и являются дополнением к Лабораторному практикуму по физической химии.

Табл. 1 . Библиограф.: 2 назв.

УДК 544

ББК 24.5

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Рецензенты: Н. В. Соцкая, канд. хим. наук, доцент кафедры физической

химии Воронежского государственного университета;

Введение

Самостоятельная работа студентов – важнейший вид обучения. Успешное проведение лабораторных занятий во многом определяется уровнем самостоятельной подготовки студентов. Научить студента работать самостоятельно - одна из основных задач. С этой целью предпринято издание данных методических указаний.

Содержание указаний соответствует рабочей программе курса «Физическая химия» и включает темы: «Первый закон термодинамики. Термохимия», «Второй закон термодинамики», «Химическая кинетика», «Растворы».

В методических указаниях перед каждой темой даются краткие теоретические сведения, рассматриваются решения типовых задач, приводятся задания для самостоятельного решения.

Тема 1.

Первый закон Термодинамики.

Термохимия

Теоретические сведения

Классическая термодинамика применяется к системам, находящимся в термодинамическом равновесии, и рассматривает только начальные и конечные состояния. Первый закон термодинамики – представляет собой закон сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам. Одна из его формулировок: в любом процессе приращение внутренней энергии ΔU какой-либо системы равно количеству сообщенной системе теплоты Q минус количество работы А, совершенной системой. Математическое выражение первого закона для процессов, связанных с бесконечно малыми изменениями, имеет вид

dU = δ Q - δА, (1)

для конечного изменения состояния системы

ΔU= Q - А. (2)

Внутренняя энергия системы представляет собой совокупность всех видов энергии, заключенных в рассматриваемой системе. Внутренняя энергия U зависит от природы вещества, его количества, агрегатного состояния, температуры, давления, объема.

Теплота Q является положительной, если энергия поступает в систему, и отрицательной, если энергия отводится из системы. Работа А считается положительной, если она совершается системой, и отрицательной, если совершается над системой.

Если система подчиняется законам идеального газа, то при постоянной температуре dU = 0; при изменении температуры изменение внутренней энергии рассчитывается по уравнению

dU = ν C_V ∙ dT, (3)

где C_V – теплоемкость системы при постоянном объёме,

ν – количество вещества;

Т – температура.

Во многих термодинамических процессах работа совершается против внешнего давления и рассчитывается по формуле δА = p ·dV,

где р – давление;

V – объём.

Величина работы расширения, совершаемой системой, зависит от условий протекания процесса:

а) при изохорном процессе (V – const)

А_V = 0; (4) б) при изотермическом процессе ( Т- const)

А_Т = ν ·R ·T· ln = ν ·R· T·ln ; (5)

в) при адиабатном процессе, протекающем без теплообмена системы с внешнем средой (Q = const),

A_Q = - ΔU, А_Q = С_V · (T₂ – T₁); (6)

г) при изобарическом расширении (p – const)

A_P = p · (V₂ – V₁) или А_P = ν ·R · (T₂ – T₁). (7)

Применительно к термодинамическим процессам, идущим в гомогенных системах при различных внешних условиях, уравнение (2) первого закона термодинамики записывается следующим образом:

для изохорного процесса (ΔV = 0)

Q_V = ΔU = С_V · (T₂ – T₁); (8)

для изотермического процесса (Δ U =0)

Q_T = A_T = ν ·R·T·ln = ν ·R·T·ln ; (9)

для изобарного процесса (p – const)

Q_P = ΔU + p ·ΔV. (10)

Для процессов, связанных с бесконечно малыми изменениями, уравнение (1) принимает вид

δQ = dU + р∙dV. (11)

В случае изобарического процесса сумма U + рV обозначается Н и называется энтальпией, тогда

δQ_P = dU +p·dV = dH, (12)

то есть изменение энтальпии (dH) системы равно теплоте, которая поглощается либо выделяется в ходе изобарического процесса.

Термохимия изучает тепловые эффекты химических реакций. Основной закон термохимии – закон Гесса: если химическая реакция протекает при постоянном объеме или давлении, то её тепловой эффект будет определяться начальным и конечным состоянием системы и не будет зависеть от пути процесса. Закон является основой всех термохимических расчетов при условии равенства температуры сходных веществ и продуктов реакции.

Согласно следствию закона Гесса энтальпия процесса ΔH_r может быть определена как разность между суммой энтальпий образования продуктов реакции (Δ_f H_прод) и суммой энтальпий образования исходных веществ (Δ_f H_{исх в-в}) с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции. Для реакции в общем виде аА + вВ → nN + mM

Δ H_r = Σ _f H_прод + Σ _f H _{исх. в-в} или

ΔH_r. = nΔ_f H_.(N) +mΔ_f H (M) – (аΔ_f H(А) + вΔ_f H_. (В), (13)

где а ,в, n, m – стехиометрические коэффициенты,

Δ_f H(N), Δ_f H(M), Δ_f H(А), Δ_f H(В) – энтальпии образования веществ.

Стандартные энтальпии образования Δ_f H⁰ приводятся в справочниках физико-химических величин. Тепловые эффекты химических реакций зависят не только от природы реагирующих веществ, но и от температуры. Зависимость теплового эффекта от температуры выражается уравнением Кирхгофа, которое приведено в интегральном виде:

, (14)

где ΔH_r(T) – тепловой эффект реакции при заданной температуре Т,

ΔH_r(T₀) – тепловой эффект реакции при температуре Т₀,

ΔС_р – изменение теплоёмкости при постоянном давлении.

Зависимость теплоёмкости от температуры выражается довольно сложно:

С_р = а + bT + c׳T² + dT³, (15)

где a, b, c׳, d – коэффициенты (приводятся в справочниках физико-химических величин).

Изменение теплоёмкости в ходе процесса рассчитывается по уравнению

, (16)

где - суммы теплоёмкостей продуктов реакции и исходных веществ соответственно.

Вопросы для подготовки

• Термодинамика. Общие понятия. Термодинамические параметры состояния и процесса.

• Понятие о работе, теплоте, внутренней энергии.

• Первое начало термодинамики. Работа расширения идеального газа.

• Термодинамические процессы.

• Термохимия. Закон Гесса и следствия из него.

• Зависимость энтальпии процесса от температуры. Закон Кирхгофа.

Литература: [1 – §§ 2.1...2.5]; [2 - работа 1,2].

Примеры решение типовых задач

Задача 1. Определите количество теплоты, поглощенное системой, и величину работы, совершенной ею при изотермическом (Т = 308 К) расширении смеси, состоящей из 1,5 молей кислорода и 2 молей азота, от давления 5,0665∙10⁵ Па до давления 1,01325∙10⁵ Па. Система подчиняется законам идеальных газов.

Решение. Процесс совершается в изотермических условиях (Т = const). Согласно первому закону термодинамики в этих условиях для системы, подчиняющейся законам идеального газа, ∆U = 0, тогда Q_Т = А_Т.

Работу изотермического процесса рассчитаем по уравнению (5):

А_T = ν · R · T · ln ;

где R – газовая постоянная, равная 8,31 Дж/моль∙ К;

ν – число молей газовой смеси газов, = 1,5 + 2;

р_1, р ₂ – начальное и конечное давление смеси соответственно.

А_Т = 3,5 ∙ 8,31∙ 308 · ln ,

Q_Т = А_Т = 14413,7 Дж или 14,413 кДж.

Задача 2. Определите изменение внутренней энергии при охлаждении 10 кг воздуха от 300 ^оС до 0 ^оС. Удельная теплоемкость воздуха при постоянном объеме выражается уравнением C_V = 0,7084 + 1,87 ∙10^-4 Т кДж/кг∙К.

Решение. Процесс совершается при постоянном объёме. Работа расширения в этих условиях не совершается, то есть А = 0. Тогда, как следует из первого закона термодинамики (уравнение (2)), ∆U_V = Q_V.

Изменение внутренней энергии в данном процессе рассчитаем, воспользовавшись уравнением (3):

dU_V = m ∙ C_V ∙ dT, проинтегрировав которое, получаем

∆U_V = m C_V · d T ,

где m – масса воздуха, C_V – удельная теплоемкость воздуха.

Подставим в уравнение данные задачи:

∆U_V = 10 (0,7084 +1,87 ∙10^-4 Т) dТ,