Phần 1 cuốn sách Nhiệt động trong hóa kỹ thuật cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản nhất về nhiệt động trong kỹ thuật, các định luật sơ sở, nghiên cứu nhiệt động trong các hệ khí, ứng dụng nhiệt động để nghiên cứu cân bằng pha và cân bằng hóa học. Mời các bạn cùng tham khảo.
Trang 1GS TSKH LA VAN BINH
NHIỆT ĐỘNG
HOA KY THUAT
THƯ VỊ lễ) 1 bú poste vite ink
TC
671 PHONG MUON
Dong gop PDF boiGV N guyên Thanh Tu WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOGS )U
Trang 2
Đóng góp PDF bai GV Nguyén Thanh Tú WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQU
Trang 3ait
LỜI NÓI ĐẦU
ih
Cuốn giao trinh “NHIET DONG TRONG HOA kỹ THUAT” này là
tài liệu giúp cho sinh viên các ngành kỹ thuật có được hiểu biết về các
quá trình chuyển hoá năng lượng dưới các dạng khác nhau như: công,
nhiệt và nội năng khi thực hiện các quá trình: biến đổi trạng thái và biến đổi chất, đặc biệt là các quá trình tổng 'ợp vật liệu và chế biến
hoá học, có liên quan chặt chẽ với sự biến đổi năng lượng
Với mục đích cung cấp những, kiến thức cơ bản cho các kỹ sư
công nghệ và cán bộ nghiên cứu trong việc lựa chon quá trình công
nghệ chế biến và tổng hợp các chất được thuận tiện và nhanh chóng,
giảm bớt các khâu thí nghiệm tốn kém Tài liệu này tổng hợp những
bài giảng từ những năm 1970 đến 1999 cho sinh viên khối công nghệ
của các trường đại học, 'nhằm- giúp sinh viên có tài liệu học tập, _ nghiên cứu và vận dụng vào thực tiễn
Chắc chắn lần đầu tiên xuất bản không tránh khỏi sai sớt, rất mong nhận được những đóng góp của bạn đọc để tài liệu được hoàn
chỉnh hơn Xin cảm ơn mọi đóng góp của bạn đọc
Tác giả
GS TSKH La Văn Bình
Dong gop PDF boi GV Nguyén Thanh Tu WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHQCQU
Trang 4
Đóng góp FDF bởi GL: Nguyễn Thanh Tú WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQU
Trang 5MUC LUC =
Chương I
L1 siti TUGNG VA PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU -
1.2, CAC KHAI NIEM CO BẢN VÀ ĐẠI LƯỢNG NHIỆT T DONG
12.2 Trạng thái và phương trình trạng thái 13
1.2.4 Qưá trình thuận nghịch và không \ thuận nghịch 17 19.5 Quan hệ toán học giữa ee tiộng số nhiệt động 19
11.2 ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤT CUA NHIỆT ĐỘNG HỌC , 25
_ IL2.1 Nội dung định luật thứ nhất 25
H.2:1,1 Đối “Tượng nghiên cứu định luật thứ nhất của a nhiệt
1I.2.2 Cơ sở hình thành định luật thứ nhất 27
11.2,2.1 Quá trình biến đổi theo chu trình kin’ | _ 28
| at 9.2.2 Qua trinh biến đổi theo chu trình hở | 28
oh 2.3 Ung dung.dinh luật thứ nhất - 30
= ` _ 1.2.3.1 Quan hệ định luật thứ nhất với hàm trạng thái biến đổi 30
y IL2.3.2 Quan hệ nhiệt dung trong các quá trình biếnđổi 31
= H.2.3.3 Quan hệ hiệu ứng nhiệt trong các quá trình 41
a : II.2.3.4 Tính công của quá trình biến đổi _ SỐ
5
Dong gop f DF boi G Vv Nguyén Thanh Tu WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCOU
Trang 6II.3 ĐỊNH LUAT THU HAI VA THU BA CUA NHIỆT DONG 60
11.3.1.1 Quá trình tự xảy ra và không tự xảy ra Xe I.3.1.2 Các dạng hình thành khác nhau của định luật thứ hai 4 63
II.3.2 Bién déi entropi trong các quá trình ah » 67 II.3.2.1 Biến đổi entropi trong quá trình thuận nghịch,“ ” 67 I3.2.2 Biến đổi entropi trong quá trình không thuận asic 68
II3.3 Quan hệ entropi với các thông số nhiệt động “<) 68
1.3.4 Tiên đề Planck hay định luật thứ ba nhiệt động | 70
11.3.5 Ung dung dinh luật thứ hai nhiệt động tui các hệ đẳng |
II.3.5.1 Chuẩn số cân bằng và tự xây igen trình | 72 II.3.5.2 Biến đổi entanpi trong một i afar “trình cân bằng 75
_ Chương mí ỳ
NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘNG
TRONG CÁC: HỆ KHÍ
III.1.1 Cân bằng của khi lý tưởng | | 81
II.2.1 Phương trình trạng thái của khí thực | 83
IIL2 3 Phương: trình trạng thái của hỗn hợp khí thực n 85
M3 ĐỘ BAY HƠI (FUGAT) 87
IH.3.1 Quan hệ phụ thuộc của độ bay hơi v vào ấp, suất 87
II.3.2 Phụ thuộc độ bay hơi vào nhiệt độ | | 88
11.3.3: Phuong pháp tính độ bay hơi f 1 ey 89
| "L 3.3.1 Phương pháp đồ thị | : 89 y _ H.3.3.2 Phương pháp giải tich So 90
Done rie PDF boi GV | NGS CI TIT TT C)L
Trang 7IL.5 PHUONG PHAP TINH TOAN CAC DAI LUGNG
IH.5.1.2 Đùng quan hệ p — V — T va C, = 9(T) 4997
IIH.5.2 Tính toán các tính chất nhiệt động theo lý thuyết tương ứng ` 104
HII.5.2.1 Quan hệ phụ thuộc p — V — eT ' ` ` 105
IIL5.22 Tínhđộbayhdi 7” - @ : 108 III.5.2.3 Entangi ˆ au a Pe, sống , Bấi III.5.2.4 Hiệu ứng tiết ưu ` - Tan in 112
IIL5.2.5 Nhiệt dung - „ yb 113
ỨNG DỤNG NHIỆT ĐỘNG ĐỀ NGHIÊN cửu
CÂN BĂNG PHA VÀ CÂN BẰNG HOA HỌC,
TY 1.CAN BANG PHA HỆ DỊ THỂ KHÔNG 'PHÂN ỨNG HOÁ HỌC 116
IV.1.1 Điều kiện chung của cân bằng dị thể | Si 116
IV.1.2.1 Cân bằng bất biến và đơn biến - Weed 119
IV.1.3 Cân bằng pha hệ dị thể nhiều cấu tử + 122
IV.1.4 Ung dung trong 'các hệ di thé fase 28 es | DA
\ 'IW,EA,1 Cân; bằng lỏng — hơi hệ dị thể sồi săn? từ 7 ', 124
IV.1.4.2 Cân bằng rắn - khí hệ dị thể một cấu tử 125
IV.1.4.3, Cai bing ran — rin hé di thé mot-cdu tit - ,., « 126
TV.2.1: Liên hệ giữa hằng: số cân bằng: với thế đẳng áp - 128
IV.2.2: Phương pháp: xác định biến thiên thế đẳng pe oe 130
AAV 2.2.1 Dựa vào định luật nhiệt để \ tính ÁQ , : : i 131
“= IV.2.2.2 X4c dinh bién,d6i thé đẳng 4 ‘Ap nhờ pin điện 1.”
AW 2.3 Tính hằng số cân bằng hoá, học hay VÀ § 135
i IV.2.3.1 Phương pháp trực tiếp Xác định hg SỐ cân tàng
3
Dong gop
Trang 8IV.2.3.2 Phương pháp gián tiếp xác định hằng số cân bằng 139 IV.2.3.3 Các phương-pháp khác xác định hằng số cân bằng 139.'
IV.3.1 Hình thành dung dịch - Dung dịch và chất hoàtan — , “149
IV.3.2 Dung dịch điện giải | 7 LA 150
IV.3.3 Tinh chat nhiét dong cia dung dịch AY ` 153
: IV.3.3.1 Đại lượng riêng phần _ Q, 133
IV.3.3.2 Phương trình cơ bản của đại lượng riengphan 154 IV.3.3.3 Phương pháp tính đại lượng phân tử riêng phần 155 1V.3.4 Các phản ứng ion trong dung địch  156
IV.3.5 Cân bằng dung dịch + A YY 161
IV.3.5.1 Can bang dung dich oS ee 161
IV.3.5.2 Phương trình Henri và độ hoà tan 166
IV 5.4, Can bang hai chat lỏng <ˆ : 174
IV.4.NHIỆT ĐỘNG HOÁ HỌC TRONG -HỆ ĐIỆN HOÁ 176
IV.4.1: Đặc tính của hệ điện hoá", 176
IV:4.1.1 Tính chất ˆ ay | 7 176
IV.4.1.2 Thế điện cực ˆ ⁄“ _ 177 IV.4.2 Cân bằng trong hệ điện hoá 179 Ì
Chuong V
UNG DỤNG NHIỆT ĐỘNG TRONG HOA KY THUAT
V.1.GIOI rite CHUNG © 4 was eT về Kg 190 V.2 DUNG-NHIE£T ĐỘNG DE XÉT KHẢ NĂNG VÀ _
ĐIỀU 'KIỆN QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI ` | 190
2W) 2 1 Xác định hướng của quá trình biến đổi ,n 190
= = V.2.2.1 Chon nhiét d6 phan ing ` | 195
KY V.2.2.2 Chon dp suat' phan tag ` i TuÊ 196
DS
|
Dong gop PDF boi GV Nguyên Thanh Tu | WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQLU
Trang 9V.3 MOT SO UNG DUNG CUA NHIET DONG
V.3.2 Quá trình chưng cất chất lỏng bay hơi 205
V.3.4.2 Tạo pha mới trong hệ đồng nhất [ = ~ 215
V.3.4.3 Sự xuất hiện mầm trong hệ di thé C 216
: V.3.4.4 Tính thành phần cân bằng trong Guns, dich
khi có phản ứng tạo kết tỉnh eS » 217
V.3.5: Quá trình chuyển hoá cân bằng WD 222
V.3.5.1 Phản ứng trong hệ khí Ly 222
V.3.5.2 Phản ứng trong hệ lỏng (dung dich) 226 V.3.5.3 Phan ting i ion trong dung dich.” 229
V.3.5.4 Phản ứng trong hệ di thé 231
V.3.5.5 Chuyển hoá cân bằng trong hệ — img phức tạp 237
V.3.5.6 Xác định độ hoà ta các muối trong dung dịch
V.3.5.7 Dùng hiệp động hoo nghiên cứu tỉnh thể 243
_NHIỆT DONG cHo 9 QUÁ TRÌNH KHÔNG CÂN BẰNG
VI 1.2 Tốc độ xuất hiện entropi _ 249
VL2 TỐC ĐỘ XUẤT HIỆN ENTROPI KHI TRUYỀN NHIỆT 251
VL3 XUẤT HIỆN ENTROPI VỚI HỆ KHÔNG THUẬN NGHỊCH 253 VL4: XUẤT HIỆN ENTROPI KHI CÓ DÒNG NHIỆT VÀ
“SS ~'VI.4.1 Khuéch tan trong hé nhiét:d6 déng nhất 257
ye ›“ VI,4.2 Khuếch tán trong hệ nhiệt độ không đồng nhất 258
3
Dong gop PDF boi GV N euyén Thanh Tu WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCOQU
Trang 10PHẦN BÀI TẬP Chương II Các định luật cơ bản
Chương II Nhiệt động học các hệ khí Chương IV Cân bằng pha và cân bằng hoá học Chương V Ứng dụng nhiệt động trong hoá kỹ thuật
PHẦN PHỤ LỤC
CÁC ĐỔ THỊ
Phu luc 1 CS
Phụ lục 3 | & :
Phụlục9 -
Phụ lục10 `
Phu luc 11 =
£ˆ¬>“
aye
ANS y
oy
TAI LIEU THAM KHAO
VA
i `
_
»
`⁄
ỳ
N
—
`== L> 4
Se W.*
Ww
¥
j
£
Py os
a
a — “Ray
Xr we *
—
ee, %⁄
` J
>
A ỳ
_“44——
ori +
Ẳ `
| owe ú
aS
đ» `
XS
AX }}
`
?
10
Dong gopPDF boi GV Nguyén Thanh Tú
FR
A262
4 ¥262 _266
268
2795
275
300
303
305
308
309
313
314
315
316
317 319°
~
WWW.F ACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQU
Trang 11Chuong I <
1.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚU NHIỆT ĐỘNG
Nhiệt động hoá học là một phần quan trọng của lý thuyết quá trình hoá học Đối tượng nghiên cứu của nhiệt động hoá học không: nhằm nghiên cứu
cấu tạo nguyên tử của chất mà chủ yếu nhằm vào các hiện tượng vật lý thông
qua các quá trình biến đổi hoá học thể hiện dưới dạng năng lượng Thiết lập
các phương trình toán học thể hiện mối liên quan giữa các đại lượng vật lý
với nhau và đặc trưng trạng thái.biến đổi của quá tfình Trên cơ sở đó các
nhà nghiên cứu tìm ra các quy luật vật lý hoá học mới, phát, triển thêm lý
luận về định luật tuần hoàn, đi sâu vào bản chất ua dung địch, khí thực và
vật liệu Các thông tin về số liệu nhiệt động hoá học rất quan trọng và cần
thiết trong righiên cửu các quá trình biến đổi chất, quá trình lạnh, hấp phụ,
trích ly, chưng cất, cô đặc Các số liệu đó: là cơ sở để ,BIẢI quyết các vấn đề
co ban cua hoá lý thuyét va ứng dung Ni vay có thể nói, không có nhiệt
| động hoá học không thể thực hiện đúng - và có hiệu quả các quá trình trong
kỹ thuật hoá học, như trong sản xuất các chất vô cơ, tổng hợp các chất hữu
cơ, hoá dầu, luyện kim Chỉ khi biết chắc chắn các giá trị nhiệt động của
đối tượng nghiên cứu mới có thể có được hiệu suất tạo sản phẩm hoá học cao
trong quá trình chế biến, Do đó có thể tính toán lý thuyết dựa trên cơ sở
nhiệt động để tìm điều kiện tối ưu cho quá trình biến đổi chất, bỏ qua các
giai dean tring: gian không 'cần thiết mà bằng thực nghiệm bắt buộc phải
qua Từ đó rút ngắn được quá trình nghiên cứu và chọn eee con TH thực
ĐIỆN, quá trình với hiệu: suất cao:
Do tầm quan trong, dhư vậy của nhiệt động học: -những năm stn day môn
học này: đã phát triển! theo cặc hướng:
'a Nghiên cứu: ý: thuyết để làm sáng tỏ bản chất của các quá trình biến đổi THẾ thong qué cdc số liệu thực nghiệm và nhiệt dong |
b, Nhiệt động học thực nghiệm xác định giá trị các thông sỐ nhiệt động
của các chất và hôn hợp giữa các chất, xác định các giá trị nhiệt động của
các qué‘trinh đặc trưng Các giá trị đó có thể thu được nhờ thực nghiệm hoặc
tính toán từ các-số liệu thực nghiệm ‘Thi dy xắc: GP tính chất khí thực e (định
Iu§Énhí ệt động thứ nhất) :
a Ve Nhiét động hoc kinh nghiệm đưa ra các quy luật giả định khác nhiau
11
Đóng gop PDF béi GV - Nguyên Thanh: Tú WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQU
Trang 12gần với tính chất của vật thể, hoặc phát triển từ các số liệu đã biết về chất nghiên cứu Từ đó suy rộng các số liệu thực nghiệm nhằm diễn tả các quý luật khác nhau và thiết lập mối liên quan giữa các hiện tượng thành các biểu,
Ba hướng đó thống nhất chặt chế với nhau và hô trợ lẫn nhau, thine đẩy
nhiệt động hoá học phát triển và đã thu được nhiều ứng dụng an trọng
Nếu như höá lý thuyết là khoa học thiết lập mối liên hệ giữa ñiện tượng
vật lý và hoá học, giữa tính chất lý học và hoá học của vật chất thì nhiệt động hoá học không phải chỉ nhằm thiết: lập được mối quan hệ đó mà cần phải hình thành được những quy luật chung của các quá trình biến đổi hoá học, từ đó cho biét chiéu hướng có thể xảy ra và kết quả: “cuối cùng của quá trình phản ứng Trong quá trình phản ứng có rất nhiệt hiện tượng vật lý có
thể xảy ra như; nhiệt, điện, ánh sáng
Ví dụ, quá trình tổng hợp amoniac là một quá ‘Anh toa nhiệt
INQ» + 3H = 2NH;¿, x Si kcal/mol NH3 còn phản ứng tạo oxýt'nitơ từ oxy và nitơ Jai là quá trình thu nhiệt:
: Na + Or =— 2ÑO + 21,6 kcal/mol NO
"Nhiệm \ vụ của nhiệt động hoá học là nghiên cứu các quá trình hoá học
để xác định hiệu tứng nhiệt của các phản ứng đó, thiết lập quan hệ phụ thuộc giữa hiệu ứng nhiệt và điều kiện tiến hành quá trình Khi nghiên cứu hiện tượng nhiệt của các phan ứng hoá học người ta dùng đến các đại lượng vật lý như entropi, entanpi, nhiệt dung , cho phép thanh lap chuẩn số chung về cân bằng và từ xảy ra qua trinh phần ứng Về mặt tốc độ phản ứng, nhiệt động học không nghiên cứu
Để nghiên cứu nhiệt động học phải hiểu biết một: số khái niệm + liên gunn quan trọng như năng lượng, nhiệt và công Thuật ngữ nhiệt động xuất phát từ chit Hy Lap thermo’- nhiét Và đingmic - động, kết hợp thành nhiệt động, vậy
nhiệt động học là Jĩnh vực khoa học về lực có quan hệ với nhiệt coi như khoa
| học về lực liên quản tới nhiệt, chứ không phải về sự chuyển động của nhiệt
— Cho đến thế'kỷ 19, các nhà bác học chưa hoàn toàn làm rõ được khái niệm
khác nhảu giữa lực và năng lượng Nếu nói theo định nghĩa thì nhiệt động là khoa học nghiên cứu sự biến đổi tương hỗ lẫn nhau giữa nhiệt, công và các dạng nang lượng khác - thường gỌI là nhiệt động, còn nếu dùng trong các
ngành nhiệt thì gọi là nhiệt ~
| „Nhiệt động học cổ điển hình thành trên cỡ sở một SỐ ƒ tiên: đề Tút ra từ
| ethte, nghiệm và quan sát Ví dụ, trước thất bại của ý tưởng xây: dựng động cơ
` _ Vĩnh cửu, từ đó bằng con đường toán học và suy luận logic.người ta đã thiết
#5 lập được rất nhiều quy luật nhiệt động riêng cho phép thể hiện chiều hướng
_— Xảy ra của các quá trình và tính chất của các chất khác nhau, mặc dù chưa
» 12
Đóng gói PDF boi GV : Nguyên Thanh Tu WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQU
