Содержание практических занятий

Практические занятия проводятся согласно силлабусу и включают нижеследующие темы:

1. Изменение теплоемкости и методы его вычисления;

2. Тепловой эффект физических и химических превращений. Расчет теплового эффекта процессов;

3. Тепловой баланс процессов;

4. Энтропия изобарных процессов, методы ее вычисления;

5. Свободная энергия Гиббса. Расчет изменений свободной энергии Гиббса физико-химических реакций;

6. Константа равновесия физико-химических превращений. Расчет констант равновесия;

7. Кинетика химических реакций. Скорость и константа скорости процесса;

8. Порядок и молекулярность реакции, методы их определения

9. Зависимость скорости реакции от температуры. Расчет энергий активации;

10. Термодинамический анализ параллельно и последовательно протекающих процессов, определение наиболее вероятных взаимодействий.

Порядок для проведения занятий

Требования для выполнения практических занятий:

1. Выдача студенческого задания;

2. Обсуждение цели и задачи практических занятий;

3. Проверка готовности студентов к занятиям: наличие учебников, справочной литературы, методических указаний к самостоятельной работе и практическим занятиям, знание теоретических основ по теме практического занятия (на основе лекционного материала);

4. Обсуждение алгоритма решения контрольных задач;

5. Обсуждение и сравнения результатов решения задач, выводы;

6. Оценка работы каждого студента согласно графику контроля знаний студента (силлабус) принимая во внимание участие студента в аудиторной работе;

7. Выдача задания на следующее занятие.

Практические занятия № 1

Тема: «Изменение теплоемкости и методы его вычисления»

Цель занятия – обучить студентов расчетам теплоемкости изобарных процессов.

Теоретические основы занятия

Теплоёмкость – количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус. Отношение количества теплоты, поглощаемой телом при бесконечно малом изменении его температуры, к единице массы вещества (г, кг) называется удельной теплоёмкостью.

Теплоемкость, соответствующая бесконечному малому изменению температуры, т.е.

(1.1)

называется истинной теплоемкостью.

Применяя уравнение (1.1) к практически наиболее важным процессам, получаем:

для изобарного процесса в соответсвии с уравнением

(1.2)

Из уравнения (1.2) вытекает соотношение

(1.3)

где Q_P – расход теплоты на изобарное нагревание 1 моль вещества от Т₁ до Т₂.

Следует обратить внимание на то, что эта величина обозначается

так же, как и тепловой эффект, но разумеется с ним совпадает по абсолютной величине и отличается по знаку, т.е. Q_P= -∆Н или -Q_P= ∆Н

Для неорганических веществ теплоемкость определяется по экспериментальному уравнению:

(1.4)

где а, b,c^/ - коэффициенты температурных зависимостей.

В справочнике [9], а также в книгах [6-7] приведены значения и коэффициенты температурных зависимостей для многих веществ, используемых в неорганической технологии. Для некоторых приведены только значенияи не приводятся значение коэффициентова, b и с. Это указывает на то, что такое вещество устойчиов только в пределах узкого диапозона изменения температур и вместо значения а при расчете изменения теплоемкости химической системы следует применять его значения .

Теплоемкость веществ, для которых отсутствуют данные в выше указанных справочниках и книгах, может быть рассчитана по правилу Дюлонга и Пти:

(1.5)

где – атомная теплоемкость атомов;

– число атомов каждого вида.

Значение в основном составляют для твердых веществ 25,94 – 26,77 Дж/(атом∙К) и для жидких – 33,47 Дж/(атом∙К). Для некоторых элементов, входящих в состав твердых или жидких веществ, значения атомных теплоемкостей отклоняются от этих величин (таблица 1).

Таблица 1

Значение атомных теплоемкостей

№	Элемент	Твердое тело	Жидкое тело
1	С	7,53	11,71
2	Н	9,62	17,99
3	N	11,29	18,41
4	B	11,71	19,66
5	Be	15,89	-
6	Si	20,08	24,26
7	F	20,92	29,29
8	S	22,59	30,96
9	P	23,01	29,29
10	O	16,73	25,10

Теплоемкость твердых веществ при постоянном объеме (С_V) в зависимости от температуры может быть вычислена также по Энштейну по формуле:

(1.6)

Здесь – теплоемкость по Энштейну.

где θ – характеристическая температура, которая находится по выражению вида:

(1.7)

здесь h и К – постоянные Планка и Больцмана;

ν – частота собственных невырожденных колебаний гармоничного осциллятора молекулы твердого вещества:

, 1/сек (1.8)

где Т_пл, М и V – температура плавления, молекулярный вес и мольный объем вещества вблизи температуры плавления.

По уравнению Тарасова С_V может быть вычислена по соотношениям:

(для одномерных структур)

(для двухмерных структур)

(для трехмерных кристаллических решеток)

Для твердых веществ теплоемкость при постоянном давлении связана с их теплоемкостью при постоянном объеме равенством вида:

(1.9)

Для газообразных веществ С_Р представляет собой сумму поступительной (С_пост), вращательной (С_вр) и колебательной (С_кол) составляющих теплоемкости:

(1.10)

где (для простых и линейных молекул), (для сложных молекул);(для простых молекул),(для сложных молекул).С_n – число атомов в молекулах).

Для установления изменения теплоемкости по температуре в ходе протекания тех или иных физико-химических превращений веществ используется расчетное выражение вида:

ΔСр = Δа + ΔbT + Δc^//Т² (1.11)

где: ,

,

,

которые определяются с учетом стехиометрических коэфициентов n участников реакции.

Примеры задач:

Задача 1. Определить вид уравнения температурной зависимости теплоемкости серной кислоты и вычислчить ее теплоемкость при стандартных условиях.

Задача 2. Составить уравнение температурной зависимости теплоемкости реакции окисления аммиака и вычислить теплоемкость при 298⁰К и 1000⁰К.

Задача 3. Вычислить изменения теплоемкости реакции:

2Са₅(PO₄)₃F + 7H₂SO₄ + 3H₂O 3Са(H₂PO₄)₂ · H₂O + 7CaSO₄ + 2HF

при температуре Т = 343⁰К, при постоянном давлении. Температурные коэфициенты реагентов приведены в нижеследующей таблице.

№	Компонент	Коэффициенты уравнения Ср0=f(T)
		a	b·103	c/·10-5
1	Са(H2PO4)2 · H2O	258,82	-	-
2	CaSO4	70,21	98,74	-
3	HF	26,9	3,43	1,09
4	Са5(PO4)3F	42,94	-	-
5	H2SO4	156,9	28,30	- 23,46
6	H2O	39,02	76,64	11,96

Задача 4. Определить вид уравнения температурной зависимости теплоемкости реакции образования азотной кислоты и вычислить количество тепла, необходимого для образования десяти кмоль кислоты при 320⁰К.

Задача 5. Вычислить изменение теплоемкости реакции образования соляной кислоты при 800⁰К.

Контрольные вопросы:

1. Понятие о теплоемкости.

2. Истинная теплоемкость.

3. Удельная теплоемкость.

4. Атомная, молекулярная и мольная теплоемкость.

5. Единицы измерения теплоемкости. Соотношения между разными единицами измерения.

6. Влияние внешних факторов на теплоемкость.

7. Влияние температуры на теплоемкость.

Задание для самостоятельной работы

Студент должен выполнить СРС по следующим темам:

1. Современные методы расчета теплоемкости веществ.

2. Расчет теплоемкости веществ по правилам Дюлонга-Пти и Неймана-Коппа,

3. примеры расчетов.

4. Температурная зависимость теплоемкости веществ, примеры расчетов.

5. Расчет теплоемкости веществ по Эйнштейну и Дебаю, примеры расчетов.

6. Расчет теплоемкости веществ методом ионных инкрементов, примеры расчетов.

7. Расчет теплоемкости веществ по методам Ландия, Алдабергенова, Ивановой, примеры расчетов.