Bài giảng Hóa lý 1 - Chương 2: Chiều hướng và giới hạn của quá trình

Bài giảng Hóa lý 1 - Chương 2: Chiều hướng và giới hạn của quá trình cung cấp cho học viên những kiến thức về quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch, nguyên lý 2 của nhiệt động lực học, định đề Planck và entropy tuyệt đối, các hàm nhiệt động đặc trưng và phương trình cơ bản, ảnh hưởng của nhiệt độ đến thế nhiệt động, ảnh hưởng của áp suất đến hàm G, thế hóa học và đại lượng mol riêng phần,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

V.   nh hẢ ưởng c a nhi t đ  đ n th  nhi t đ ng ủ ệ ộ ế ế ệ ộ

VI.  nh hẢ ưởng c a áp su t đ n hàm Gủ ấ ế

VII.Th  hoá h c và đ i lế ọ ạ ượng mol riêng ph nầ

I. QUÁ TRÌNH THU N NGH CH &  KHÔNG  Ậ Ị

THU N NGH CH Ậ Ị

Quá trình t  x y ra  & Quá trình không t  x y ra  ự ả ự ả

Chi u hề ướng t  x y ra c a quá trình :ự ả ủ

­ Năng l ng ượ phân bố đ u h nề ơ

­ V t ch ât ậ ấ phân bố đ u h nề ơ  

H N Đ N H NỖ Ộ Ơ

Quá trình cân b ng: ằ  là quá trình bao g m m t dãy liên ồ ộ

t c nh ng tr ng thái cân b ng. ụ ữ ạ ằ

Quá  trình  thu n  ngh ch ậ ị  (TN)  là  quá  trình  khi  đi  t  ừ

tr ng thái (TT) cu i tr  v  TT thái đ u, h  l i tr i qua ạ ố ở ề ầ ệ ạ ảđúng các TT trung gian nh  khi nó đi t  TT đ u đ n TT ư ừ ầ ế

cu i và ố không gây ra m t bi n  đ i nàoộ ế ổ  trong h  cũng ệ

nh  môi trư ường. 

Quá trình b t thu n ngh ch ấ ậ ị  (BTN) là quá trình không 

có đ y đ  các đ c tính trên.ầ ủ ặ

Đ c đi m c a quá trình TN:ặ ể ủ

Là m t dãy liên t c các tr ng thái cân b ng n i ti p ộ ụ ạ ằ ố ế

nhau (nghĩa là: quá trình TN là quá trình cân b ng) ằCông h  sinh ệ c c đ iự ạ , công h  nh n ệ ậ c c ti uự ể

     Trong th c t ,  ự ế các quá trình g n v i TN ầ ớ   cũng 

được xem là TN đ  xây  d ng các h  th c nhi t đ ng ể ự ệ ứ ệ ộ

l c h c. ự ọCác QUÁ TRÌNH CHUY N PHAỂ  x y ra   T và p  ả ởchuy n phaể

Các QUÁ TRÌNH TĂNG/GI M NHI T ĐẢ Ệ Ộ vô cùng 

ch m b ng cách cho ti p xúc l n lậ ằ ế ầ ượ ớt v i các 

ngu n nhi t có nhi t đ  chênh l ch không đáng k  ồ ệ ệ ộ ệ ể

… 

Các PH N  NG HÓA H CẢ Ứ Ọ  x y  ra   đi u ki n r t ả ở ề ệ ấ

g n v i đi u ki n cân b ngầ ớ ề ệ ằ  

II. NGUYÊN LÝ 2 C A NHI T  Ủ Ệ

Đ NG L C H C Ộ Ự Ọ

Nguyên  lý  2  t ng  k t  các  kinh  nghi m  v   chi u ổ ế ệ ề ề

hướng x y ra c a các quá trình, s  đả ủ ẽ ược áp d ng ụvào hóa h c đ  XÉT CHI U VÀ GI I H N C A ọ ể Ề Ớ Ạ ỦQUÁ TRÌNH. 

Nguyên  lý  1  t ng  k t  các  v n  đ   v   NĂNG ổ ế ấ ề ề

LƯỢNG trong quá trình. 

Q T

S

∆ =

TN

Q T

dS = δ

TN

QT

So sánh v i quá trình b t k : ớ ấ ỳ

       (vì ATN = Amax > ABTN)

Trong đó:       

d u “=“  ng v i quá trình ấ ứ ớ thu n ngh chậ ị

d u “>“   ng v i quá trình ấ ứ ớ b t thu n ngh chấ ậ ị

2. Tiêu chu n xét chi u trong h  cô l p ẩ ề ệ ậ

N u ế h  cô l pệ ậ  t c là ứ Q = 0, ta có:

Dùng S đ  ể XÉT CHI U TRONG H  CƠ L P:Ề Ệ Ậ

­ Nếu dS > 0 (S tăng ): Quá trình  tự xảy ra  

Các quá trình t  x y ra trong h  cơ l p luơn theo ự ả ệ ậ

chi u hề ướng làm tăng entropy.  

(Môi trường là m t h  vô cùng l n luôn có T = ộ ệ ớ

const, C =  , quá trình đ i v i nó luôn là thu n ố ớ ậ

ngh ch

 H  cô l pệ ậ  bao g m: ồ

h  con & môi trệ ường xung quanh 

3. Tính ch t th ng kê c a entropy:   ấ ố ủ

S là hàm tr ng thái, có tính ch t c ng tính: ạ ấ ộ

S = S1 +  S2 + … + Sn =   Si

   S là hàm c a xác su t nhi t đ ng W:ủ ấ ệ ộ   S = f(W) 

Xác su t nhi t đ ng là t ng s  tr ng thái vi mô  ng v i ấ ệ ộ ổ ố ạ ứ ớ

m i tr ng thái vĩ mô c a hỗ ạ ủ ệ. 

   N u h  g m N ti u phân đế ệ ồ ể ược phân b    n m c năng ố ở ứ

N u  h   g m  n  h   nh ,  thì  xác  su t  nhi t  đ ng  c a ế ệ ồ ệ ỏ ấ ệ ộ ủtoàn h  là tích c a các Wệ ủ i : 

 Hàm có tính ch t nh  trên ph i là hàm logarit. ấ ư ả

n

i i=1

 Ta được  h  th c Boltzmann:    S = k lnWệ ứ  

(k = R/No: h ng s  Boltzmann ­ No : s  Avogadro)ằ ố ố

 Bi n thiên entropy: ế 2 1 2

1

W ln

W

S S S k

Ý nghĩa th ng kê c a nguyên lý 2ố ủ : 

      Xác su t nhi t đ ng là đ i lấ ệ ộ ạ ượng đ c tr ng cho đ  ặ ư ộ

h n đ n, nên ỗ ộ S đ c dùng làm th c đo đ  h n đ n ượ ướ ộ ỗ ộ

Entropy & ø  tra ï ng tha ù i ta ä p h ợ p

Phân t  càng ph c t p  ử ứ ạ

Phân t  càng ph c t p  ử ứ ạ

thì S tăng

S tăng khi hòa tan ch t l ng/r n nguyên ch t vào trong ấ ỏ ắ ấ

S tăng khi hòa tan ch t l ng/r n nguyên ch t vào trong ấ ỏ ắ ấ

dung môi

4. Tính toán bi n thiên c a m t s  quá trình TN:  ế ủ ộ ố

    Tính d ưạ  trên nguyên t c: ắ

TN

Q T

∆ =

P

C dT T

=

TN

QT

δ

T

=

b/ Quá trình đ ng nhi t: ẳ ệ   ∆ = S δ Q TTN

 Chuy n tr ng thái t p h p ( chuy n pha ): ể ạ ậ ợ ể

TN

Q T

Xét quá trình bi n đ i c a m t ch t nh  sau: ế ổ ủ ộ ấ ư

4

no� ng cha� y chuye� n pha

298 chính là entropy tuy t đ i c a m t ch t   1 ệ ố ủ ộ ấ ở

atm, 298K (đi u ki n chu n ).ề ệ ẩ

Là toàn bộ các dạng năng lượng tiềm tàng trong hệ

Cal J

Enthalpy 

(Hàm

nhiệt)

H H = U + PV

Là năng lượng của

hệ bao gồm nội  năng và phần  năng  lượng  sinh 

công  giãn  nở để đảm

bảo điều kiện đẳng

Cal J

Là phần năng  lượng  tự 

do có khả năng chuyển thành công ở điều kiện đẳng nhiệt, đẳng áp

Cal J

Là phần năng  lượng  tự 

do có khả năng

chuyển thành công ở

điều kiện đẳng nhiệt, đẳng tích.

Cal J

T � �= � �

� �

S

U P

F U TS U S � �= − = − � �

� �

b) Quan h  gi a các hàm đ c tr ng ệ ữ ặ ư

Ví dụ:   đi u ki n đ ng nhi t: ở ề ệ ẳ ệ G T  =  H T  – T S T

T,  Fo

T bi u di n ể ễ

2. Ph ươ ng trình c  b n c a nhi t đ ng h c:  ơ ả ủ ệ ộ ọ

Phương  trình  đ ng  h c  c   b n  c a  nhi t  đ ng ộ ọ ơ ả ủ ệ ộ

h c là các phọ ương trình được rút ra t  nguyên lý 1 và 2.ừa)  Bi u th c toán nguyên lý 1:   dU = ể ứ Q ­  A 

Mà:   A = P.dV +   A’

P.dV :  công c  h c ơ ọ

  (công th  tích, công giãn n )ể ởA’   : các d ng công còn l i (công có ích)ạ ạ

– D u ấ “<”: t ng  ng v i ươ ứ ớ quá trình BTN (t  x y ra)ự ả  

– D u ấ “=”: t ng  ng v i ươ ứ ớ quá trình TN (cân b ngằ )

lúc đó công mà h  th c hi n là công c c đ i ệ ự ệ ự ạ A’

Tiêu chu n xét chi u quá trình trong h  đ ng nhi t, ẩ ề ệ ẳ ệ

đ ng tích  (dT = 0, dV = 0 )ẳ  

D ng phát bi u khác c a nguyên lý 2:ạ ể ủ    

“M i quá trình t  x y ra theo chi u gi m năng ọ ự ả ề ả

lượng t  do c a h , và d ng l i khi năng lự ủ ệ ừ ạ ượng t  ự

do đ t giá tr  c c ti u.”ạ ị ự ể

  M i quá trình t  x y ra ọ ự ả (quá trình không t n năng  ố

l ượ ng mà có th  sinh công) ể  x y ra theo chi u th c hi n ả ề ự ệ

m t  công  l n  nh t,  nghĩa  là  theo  hộ ớ ấ ướng  th   tiêu  kh  ủ ảnăng sinh công c a h  ủ ệ

Năng lượng t  do G và F đự ược g i  là ọ th  nhi t đ ngế ệ ộ

∆

       hay     

Thay phương trình Kirchhoff:            

và          vào phương trình trên, ta được:

L y tích phân xác đ nh v i các c n t  Tấ ị ớ ậ ừ 1 đ n Tế 2 ta 

Khi  H = const ( hay  CP = 0 ), tích phân trên có 

2. Ph ươ ng trình Temkin – Svartsman: 

Là d ng phạ ương trình tính g n đúng đầ ược đ  ngh , ề ịtrong đó có m t s  s  h ng gi ng nhau độ ố ố ạ ố ược tính toán 

li t thành b ng khá ti n l i cho vi c s  d ng. Phệ ả ệ ợ ệ ử ụ ương trình có d ng: ạ

i

M (cho trong s  tay hoá lý)ổ

VI.  NH H Ả ƯỞ NG C A ÁP SU T Đ N  Ủ Ấ Ế

Áp d ng cho ụ n mol khí lý tưởng, v i      ớ , ta 

1. Đ nh nghĩa  th  hoá h c ị ế ọ

Các đ i lạ ượng đã kh o sát nh ng ph n trên m i ả ữ ầ ớ

đ  c p đ n các bi n đ i không ph  thu c vào lề ậ ế ế ổ ụ ộ ượng 

VII. TH  HOÁ H C VÀ  Ế Ọ

Đ I L Ạ ƯỢ NG MOL RIÊNG PH N Ầ

        trong đó s  h ng cu i     ố ạ ố

được g i là th  hoá h c ọ ế ọ

( nó cũng là đ i lạ ượng mol riêng ph n ). ầ

T,n   hay P,n  bi u th : các thông s  khác và s  mol ể ị ố ố

     c a  c  các ch t không đ i ủ ả ấ ổ

T, P, n j  i bi u th :ể ị  các thông s  khác và s  mol c a  ố ố ủ

      c u t  j (j ấ ử  i) không đ i ổ  

V i  đ i  lớ ạ ượng  dung  đ   khác  bi u  th c  đ nh  nghĩa   ộ ể ứ ị

Th  hoá h c c u t  i: ế ọ ấ ử  

i  chính là  đ o hàm riêng đ i lạ ạ ượng Gibbs ch  ỉ

c a  c u  t   iủ ấ ử  trong  đi u  ki n  nhi t  đ ,  áp  su t  và ề ệ ệ ộ ấ

thành  ph n  các  c u  t     j ầ ấ ử  i  được  gi   không  đ i ữ ổ

(tính qui v  cho m t mol ch t i ).ề ộ ấ

i  : đ  thay đ i c a c a G khi thêm ộ ổ ủ ủ 1 mol i vào 1 

lượng vô cùng l n c a h  trong  đi u ki n đ ng ớ ủ ệ ề ệ ẳ

nhi t, đ ng áp và s  mol c a các ch t khác trong ệ ẳ ố ủ ấ

h  là không đ i . ệ ổ

i   là đ i lạ ượng cường đ , nó là đ ng l c c a s  ộ ộ ự ủ ự

chuy n ch t  nên có tính ch t th  ể ấ ấ ế

  là s  đo kh  năng sinh công c a h  khi thêm ố ả ủ ệ

1  c u  t   vào  h ,  đ c  tr ng  cho  đ   ho t  đ ng ấ ử ệ ặ ư ộ ạ ộ

c a c u t    tr ng thái đang xét, đ c tr ng cho ủ ấ ử ở ạ ặ ư

kh  năng tham gia vào các quá trình hóa h c c a ả ọ ủ

c u t  đóấ ử  

b/  M i  ph ọ ươ ng  trình  vi t  cho  hàm  G  c a  h   đ u  có  ế ủ ệ ề

th  vi t nh  v y cho th  hoá h c c a c u t  nào đó  ể ế ư ậ ế ọ ủ ấ ử trong h  nhi u c u t ệ ề ấ ử

c/ Ph ươ ng trình Gibbs – Duhem II:

 Trong các h  đ ng nhi t, đ ng áp, t ng bi n thiên  ệ ẳ ệ ẳ ổ ế

th  hoá h c c a các c u t  b ng không: ế ọ ủ ấ ử ằ

          ni.d i = 0       

             xi .d i = 0       

3. Đ i l ạ ượ ng mol riêng ph n ầ

      Các đ i lạ ượng dung đ  nh  G, F, S, V, H, U,… ký ộ ư

hi u  chung  là  X  có  đ i  lệ ạ ượng  khác  (so  v i  th   hóa), ớ ế

g i là ọ mol riêng ph n ầ ,  được đ nh nghĩa  nh  sau:ị ư

� �

=

� �

� �

Vi t cho ế đ i lạ ượng mol riêng ph nầ  khác:

Các đi u ki n c  đ nh ề ệ ố ị đ i lạ ượng mol riêng ph nầ  là  

X = đ  thay đ i c a c a X khi thêm 1 mol i vào      ộ ổ ủ ủ

1  lượng  vô  cùng  l n  c a  h   trong    đi u  ki n ớ ủ ệ ề ệ

đ ng nhi t, đ ng áp và s  mol c a các ch t khác ẳ ệ ẳ ố ủ ấtrong h  là không đ i . ệ ổ

T  đ c:  Ví d  trang 39, 54 ự ọ ụ