nhiệt động hóa học hóa lý 1

Caùc khaùi nieäm vaø ñònh nghóa I.2. Nguyeân lyù thöù nhaát cuûa nhieät ñoäng löïc hoïc I.3. Ñònh luaät Hess I.4. Nhieät dung I.5. AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä ñeán hieäu öùng nhieätCaùc khaùi nieäm vaø ñònh nghóa I.2. Nguyeân lyù thöù nhaát cuûa nhieät ñoäng löïc hoïc I.3. Ñònh luaät Hess I.4. Nhieät dung I.5. AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä ñeán hieäu öùng nhieätCaùc khaùi nieäm vaø ñònh nghóa I.2. Nguyeân lyù thöù nhaát cuûa nhieät ñoäng löïc hoïc I.3. Ñònh luaät Hess I.4. Nhieät dung I.5. AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä ñeán hieäu öùng nhieät

Chương I NHIỆT HÓA HỌC

I.1 Các khái niệm và định nghĩa I.2 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt

động lực học

I.3 Định luật Hess

I.4 Nhiệt dung

I.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến

hiệu ứng nhiệt của phản ứng – Định luật Kirchhof

Giới thiệu

 Nhiệt hóa học chuyên nghiên cứu

hiệu ứng nhiệt của các quá trình.

 Nhiệm vu: nghiên cứu để tính toán định lượng hiệu ứng

nhiệt của các quá trình.

 Cơ sở lý thuyết: nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học và các định luật có liên quan (định luật Hess, định luật Kirchhof).

I.1 Các khái niệm và

định nghĩa

 Hệ: là phần vật chất vĩ mô được giới hạn để nghiên cứu

 Môi trường: là phần thế giới xung

quanh hệ Môi trường và hệ có thể

tương tác hoặc không tương tác với nhau

 Hệ vĩ mô: là hệ gồm một số rất lớn các tiểu phân (hạt) mà ta có thể áp

dụng các quy luật xác suất và thống

kê

 Hệ nhiệt động: là hệ đã ở trạng

thái cân bằng (là trạng thái mà các tính chất của hệ không thay đổi theo thời gian khi môi trường không tác động đến hệ)

 còn gọi là hệ cân bằng

I.1 Các khái niệm và

định nghĩa

Phân loại Hệ theo tương tác giữa hệ và môi trường: (tính chất trao đổi chất và năng lượng)

lượng (công, nhiệt…) với môi trường

thể trao đổi năng lượng với môi trường

 Hệ cô lập: không trao đổi cả chất và

năng lượng với môi trường

 Hệ đoạn nhiệt: không trao đổi nhiệt với

môi trường

hệ cô lập là hệ đoạn nhiệt

Ví dụ: Phích nước (bình thủy) đựng nước nóng

I.1 Các khái niệm và

định nghĩa

thông số vĩ mô đặc trưng cho mỗi

hệ.

(Lưu ý: trạng thái khác với trạng thái

tập hợp: Rắn, lỏng, khí)

Ví dụ: một hệ có 1 mol khí ở điều kiện 1 at,

0oC, có thể tích 22,4 l

Khi thay đổi (dù là rất nhỏ) một thông

số, thì hệ sẽ chuyển sang trạng thái

khác

I.1 Các khái niệm và

định nghĩa

lượng hóa lý vĩ mô đặc trưng cho mỗi trạng thái của hệ

Ví dụ: nhiệt độ T, áp suất p, thể tích V,

khối lượng m, nồng độ C, nhiệt dung Cp, khối lượng riêng ρ …

2 loại thông số trạng

thái:

 Thông số cường độ: không phụ thuộc vào lượng chất.

Ví dụ: T, p …  không thể cộng lại với nhau

 Thông số dung độ: phụ thuộc vào

lượng chất.

Ví dụ: V, m …

 có thể cộng lại với nhau Ví dụ: V

= ∑V i ; m = ∑m i

I.1 Các khái niệm và

định nghĩa

đặc trưng cho mỗi trạng thái của hệ, thường được biểu diễn hay tính toán thông qua các thông số trạng thái .

Ví dụ: Nội năng U = U(T, p, ni …)

Entropy S = S (T, p, ni …)

I.1 Các khái niệm và

định nghĩa

Khi thay đổi một thông số, thì hệ sẽ chuyển sang trạng thái khác, nghĩa là

hệ đã thực hiện một quá trình

 Quá trình: là con đường mà hệ

chuyển từ trạng thái này sang trạng

I.1 Các khái niệm và định nghĩa

 Nội năng (U): là tập hợp tất cả các

dạng năng lượng tiềm tàng trong hệ

 Công (A) và nhiệt (hiệu ứng nhiệt

- Q): là hai hình thức truyền năng lượng của hệ

 Nhiệt chuyển pha (λ): là nhiệt mà

hệ sinh (hay nhận) trong quá trình chuyển từ pha này sang pha khác

Không đo được U, chỉ xác định được độ

biến thiên ∆U (biểu hiện ra bên ngoài)

Hệ sinh dương (>0) âm (<0)

Hệ nhận âm (<0) dương (>0)

λnóng chảy = λđông đặc ; λhóa hơi = λngưng tụ ; λthăng hoa = λngưng

kết

I.2 Nguyên lý thứ nhất

của nhiệt động lực học

I.2.1 Nội dung

lượng

(năng lượng không mất đi mà chuyển từ

trạng thái này sang trạng thái khác)

Trong một quá trình bất kỳ, biến thiên nội năng ∆U của hệ bằng nhiệt lượng Q mà hệ nhận trừ đi công A hệ sinh

∆U = Q – A

(1.1)

I.2 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học

U là một hàm trạng thái

(chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ, không phụ thuộc vào đường đi)

Khi áp dụng cho quá trình vô cùng nhỏ

có thể biểu diễn :

(1.2)

dU = δ Q − δ A

Trong đó: “d” biểu diễn cho vi phân toàn

phần (tương ứng cho các hàm trạng thái)

“δ” biểu diễn cho biến thiên nhỏ

của các đại lượng (tương ứng cho các hàm số của quá trình, mà không phải là hàm trạng thái, như

Q và A)

I.2 Nguyên lý thứ nhất của

nhiệt động lực học

Xét trường hợp chỉ có công cơ học (công thể tích, công giãn nở) :

Công cơ học :δ A = p dV

⇒

Nhiệt hệ nhận trong quá trình đẳng tích bằng biến thiên của nội năng U (hàm

V

v V

A = ∫ p dV

⇒

I.2 Nguyên lý thứ nhất của

nhiệt động lực học

Nhiệt hệ nhận trong quá trình đẳng áp bằng biến thiên của enthalpy H

b/ Quá trình đẳng áp (p = const hay dp = 0)

p = const →

Q p = ∆U + A p = ∆U + p ∆V = ∆U + ∆(pV) = ∆ (U + pV) = ∆H

⇒

I.2 Nguyên lý thứ nhất của

nhiệt động lực học

H gọi là hàm enthalpy.

U, p và V là các hàm và thông số trạng

thái, nên H cũng là hàm trạng thái

Xét quá trình đẳng áp của khí lý tưởng

A p = p ∆V = ∆(pV) = ∆(nRT) =

nR∆T

⇒

I.2 Nguyên lý thứ nhất của

nhiệt động lực học

R là hằng số khí lý tưởng

R = 1,987 cal/mol.K = 8,314 J/mol.K = 0,082 l.atm/mol.K

Định luật Joule: (áp dụng cho khí lý tưởng)

Nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc

vào nhiệt độ : U=f(T)

c/ Quá trình đẳng nhiệt giãn nở của khí lý tưởng

(T=const hay dT = 0)

⇒

I.2 Nguyên lý thứ nhất của

nhiệt động lực học

∆U T = 0

(biến thiên nội năng đẳng nhiệt của 1

quá trình bằng không)

nRT

dV V

1

V V

1 2

p p

1 mol khí H2 giãn nở từ 5l đến 50l

a) Xác định nhiệt của quá trình xảy ra

ở nhiệt độ t = 25oC

b) Xác định ∆U của hệ nếu quá trình

giãn nở đẳng áp Biết rằng hệ nhận nhiệt trong quá trình này lượng nhiệt

là 21270 cal

Ví dụ:

I.2 Nguyên lý thứ nhất của

nhiệt động lực học

I.3 Định luật Hess

I.3.1 Định luật

Định luật Hess mở rộng cho nguyên lý 1,

được rút ra từ (1.3): Q v = ∆U và

Trong một quá trình đẳng áp hay đẳng tích, nhiệt phản ứng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào các trạng thái trung gian (hay nói cách khác: không phụ thuộc vào quá trình)

I.3 Định luật Hess

Ý nghĩa ĐL Hess: Năng lượng là thuộc tính của hệ, sự biến đổi năng lượng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối, không phụ thuộc vào đường đi

Chú ý điều kiện: quá trình đẳng áp hay

I.3 Định luật Hess

Quan hệ giữa ∆U và ∆H : ∆H = ∆U + ∆ (pV)

đẳng tích: biến đổi năng lượng trong hệ là ∆U

đẳng áp: biến đổi năng lượng trong hệ là ∆H

Ý nghĩa của enthalpy H: là tập hợp các dạng năng lượng của hệ và bao gồm cả năng lượng do thể tích mà hệ chiếm giữ

Như vậy, nếu quá trình xảy ra ở điều kiện:

I.3 Định luật Hess

Quan hệ giữa ∆U và ∆H : ∆H = ∆U +

I.3 Định luật Hess

I.3.1 Hệ quả của định luật Hess

(1.9)

∆ Hpư = ∑ ∆ H( )S cuối− ∑ ∆ H( )S đầu

c/ Nhiệt phản ứng bằng tổng nhiệt cháy

của chất tham gia phản ứng (đầu) trừ đi tổng nhiệt cháy của các sản phẩm (cuối)

(1.10)

∆H pư = ∑∆H( )ch đầu − ∑∆H( )ch cuối

I.3 Định luật Hess

∆ o T

Nhiệt cháy của một chất là nhiệt phản ứng cháy 1 mol chất đó với oxy để tạo thành các oxyt cao nhất của các nguyên tố (tạo thành chất đó) ở điều kiện khảo sát Ký hiệu ,ví dụ ở điều kiện chuẩn (thường cho nhiệt cháy của các chất hữu cơ)

I.3 Định luật Hess

C 2 H 4 (k) + H 2 O (l)  C 2 H 5 OH (l) (2)

I.4 Nhieâït dung

C 2 H 4 (k) + H 2 O (l)  C 2 H 5 OH (l) (2)