Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Некоторые аспекты химической термодинамики. Учебное пособие
.pdf
1.4 Вычисление среднего значения теплового эффекта ре-
акции ….
2 Построение и анализ диаграмм состояния двухкомпо-
нентной системы….
3 Рекомендации по оформлению курсовой работы. Со-
став и объем курсовой работы
4 Требования к структурным элементам расчѐтно-
пояснительной записки (РПЗ)
5 Правила оформления текстовых документов
6 Список литературы
Приложение А. Вычисление термодинамических функ-
ций индивидуального вещества
Приложение Б. Расчет константы равновесия заданной
реакции
Приложение В. Построение и анализ диаграммы состоя-
ния двухкомпонентной системы
Приложение Г. Форма титульного листа курсовой работы
Приложение Д. Форма бланка задания на курсовую рабо-
ту
Приложение Е. Примеры библиографических описаний
Приложение Ж. Пример оформления содержания
Приложение И. Пример оформления рисунка
111
Введение
)(0TG
r
p
K
pr
KRTTG ln)(
0
)()()(
000
TSTTHTG
rrr
Основными формами занятий для изучения программного материала по дисциплинам «Химия» и «Физическая химия»
являются лекции, лабораторный практикум, практические занятия, внеаудиторная самостоятельная и курсовая работы.
Настоящие методические указания предназначены для
выполнения курсовой работы по химической термодинамике,
включающей в себя расчеты термодинамических функций индивидуального вещества в зависимости от температуры, расчеты константы равновесия реакции двумя способами в заданном интервале температур, вычисление среднего значения
теплового эффекта заданной реакции (если выполняется только первая часть) и фазовый анализ диаграммы состояния
двухкомпонентной системы (если выполняются обе части).
Предлагаемая методическая разработка способствует
приобретению студентами практических навыков самостоятельных термохимических расчетов, расчетов констант равновесия химических реакций и тепловых эффектов, а также
практического опыта в самостоятельном анализе фазовых равновесий на основе диаграммы состояния двойной системы.
1 Расчеты термодинамических функций для
химических реакций и индивидуальных веществ
Одна из важнейших задач, которая решается физической
химией, это определение направления и глубины протекания
химической реакции. Нахождение стандартного изменения
энергии Гиббса
и константы равновесия
дают
решение поставленной задачи. Согласно источнику [1]
, (1)
, (2)
следовательно,
112
RT
TH
R
TS
K
rr
p
)()(
ln
00
5
1001325.1
)(
0
TH
r
)(0TSr
)]0()0()([)(
0000
ifiiir
HHTHnTH
i
n
)]0()0()([
000
ifii
HHTH
)0()(
00
ii
HTH
)0(
0
if
H
)()(
00
TSnTS
iir
)(0TS
i
)]0()0()([
1
)(
1
ln
0000
ifiiiiip
HHTHn
RT
TSn
R
K
, (3)
где знаком 0 обозначены свойства веществ в стандартном состоянии, т. е. при давлении 1 атм (
Па);
- стандартный тепловой эффект реакции при
данной температуре;
- стандартное изменение энтропии реакции при
данной температуре.
Стандартный тепловой эффект и стандартное изменение
энтропии реакции можно представить как разность этих термодинамических функций между продуктами реакции и исходными веществами с учетом стехиометрии реакции:
, (4)
где
- стехиометрический коэффициент индивидуаль-
ного вещества реакции;
- энтальпия индивидуального
вещества реакции, в которой
- высокотемпературная составляющая
стандартной энтальпии индивидуального вещества реакции
при заданной температуре;
- энтальпия образования индивидуального ве-
щества при 0 К,
где
- энтропия индивидуального вещества реакции
, (5)
при заданной температуре.
С учетом вышеизложенного расчет константы равновесия
можно представить формулой
С появлением электронно-вычислительной техники расчет изменения стандартной энергии Гиббса и константы рав-
113
(6)
новесия проводят с помощью функции приведенной энергии
)(
0
T
i
T
HTG
T
ii
i
)0()(
)(
00
0
)(
0
TG
r
)0()0()()(
0000
HHTGTG
rrrr
)0()()0(
)0()(
000
00
HTTH
T
HTG
T
rrr
rr
RT
H
R
T
K
rr
p
)0()(
ln
00
)0()]0()0()0([)(
00000
ifiifiiir
HnHHHnTH
)()(
00
TnT
iir
)0(
1
)(
1
ln
00
ifiiip
Hn
RT
Tn
R
K
5
1001325.1
100
0
00
0
100
0000
)0()100()0()(
ii
T
i
p
i
pii
HHdTCdTCHTH
0
100
0
T
i
p
dTC
Гиббса
[1]:
Для расчета
через функцию приведенной энер-
. (7)
гии Гиббса выполним следующие математические операции:
. (8)
Учитывая (1), получаем соотношения
Так как
(9)
(10)
и
то
,
. (11)
Таким образом, получена возможность расчета константы равновесия реакции двумя способами по формулам (6) и
(11), из которых видно, что последнее возможно, если известны изменение энтальпии, энтропия, приведенная энергия Гиббса всех реагентов химической реакции при данной темпера-
туре и давлении 1 атм (
Па). Расчет этих функций
производится по формулам, обязательно включающим значения теплоемкости индивидуального вещества при данной температуре, приведенных в справочнике.
(12)
114
T
i
p
ii
dT
T
C
STS
100
0
00
)100()(
, (13)
T
HTTSTH
T
HTG
T
iiiii
i
)0()()()0()(
)(
00000
0
T
p
i
ii
i
dT
T
C
S
T
HTH
TS
i
100
0
0
00
0
)100(
)0()(
)(
T
i
pii
dTCHH
T
100
000
)0()100(
1
)0()100()()0()()0()(
0000000
iiiiiii
HHTTSHTHGTG
T
i
p
i
T
i
p
dT
T
C
TTSdTC
100
0
0
100
0
)100(
)(
0
TC
i
p
)100(
0
i
S
)0()100(
00
ii
HH
0
p
C
TCp/
0
(14)
. (15)
В первом разделе курсовой работы (п.1.1) предлагается
для заданного вещества, используя табличные значения
и
, и
, данные в справочном
издании «Термодинамические свойства индивидуальных веществ» рассчитать приведенные выше функции для температур 200; 300; 400; 500 К.
Чтобы обеспечить точность вычисления термодинамических функций индивидуального вещества при указанных температурах с ошибкой ~1 %, стоградусный интервал, с которым
приведены теплоемкости в справочном издании], разбивается
на четыре равные части, и проводятся вычисления функций
и
с шагом 25 К, что достигается с помощью ап-
проксимирующих уравнений (интерполяционный многочлен и
сплайн-функции).
Численное интегрирование (12)-(15) осуществляется методом Ньютона-Котеса:
115
)(32)(12)(32)(7[
45
2
)(
3210
4
0
xfxfxfxf
h
dxxf
x
x
)](7
4
xf
, (16)
4
04
xx
h
0
x
i
x
)200(
0
p
C
)300(
0
p
C
T К
1/T
х10
-3
К
-1
)]0()0(
)([
00
0
ifi
ii
HH
THn
кДж
I спо-
соб
lnKp
II
способ
lnKp
Kp
где h- шаг аргумента (h=100 К),
;
- наименьшее значение аргумента (при 100 К);
- значение аргумента, при котором вычисляется значе-
ние функции в равноотстоящих точках, т.е.
,
и т.д.
Программа вычислений имеется в компьютерном классе.
Полученные значения термодинамических функций
сравниваются с данными в справочном издании]. Показано на
конкретном примере, что величина ошибки расчета ~ 1%.
Для выполнения курсовой работы каждый студент получает у преподавателя конкретное индивидуальное вещество,
проводит расчет его термодинамических функций ) по готовой
программе по формулам (12)-(15 (см. выше), дает описание его
физических, химических свойств и применения (п.1.2 курсового задания). Кроме того, каждому студенту выдается индивидуально химическая реакция для расчета константы равновесия двумя способами по формулам (6) и (11) в заданном температурном интервале (п.1.3 курсового задания) и анализа полученных результатов, представляемых в виде таблицы
Таблица – Вычисленных тепловых эффектов, lnK
p, Kp
116
и графика в координатах
T
fK
p
1
ln
T
fK
p
1
ln
RtgTH
r
)(
0
.
По полученной графической зависимости
рассчитывается среднее значение теплового эффекта химической реакции
, (17)
где - угол наклона полученной зависимости; а также де-
лается вывод о характере заданной реакции, возможности увеличения выхода продукта, т.е. смещения равновесия.
Примеры расчетов приведены в приложениях А и Б.
2 Построение и анализ диаграмм состояния
двухкомпонентных систем
Это второй раздел расширенного курсового задания, в
котором на основании данных состав-температура выпадения
первых кристаллов требуется построить диаграмму состояния
двухкомпонентной системы, или, имея последнюю в готовом
виде, определить тип диаграммы состояния, дать фазовый состав всех ее областей, выражая состав системы как в массовых,
так и атомных (молекулярных) процентах или долях. По диаграмме состояния необходимо установить формулы химических соединений, если таковые имеются на заданной диаграмме; указать температуру начала и конца кристаллизации для
расплава заданного состава системы, определить природу и
состав первых выпавших кристаллов из расплава заданного
состава, а также состав последних капель расплава; по правилу
рычага рассчитать массы равновесных фаз для заданного состава системы при данной температуре, если известна масса
исходного сплава; найти число степеней свободы в заданных
точках системы; нарисовать кривую охлаждения для заданного
состава системы и дать полное описание процесса охлаждения.
117
Формулы для пересчета массовых процентов в атомные
.%
100
./.%./.%
./.%
.%
100
..%..%
..%
(молекулярные) и атомных (молекулярных) в массовые имеют
вид:
(18)
(19)
Расчет формул химических соединений, если таковые
имеются на диаграмме состояния двойной системы, состоящей
из компонентов А и В, состав которой задан в атомных процентах, осуществляется следующим образом:
химическое соединение АmBn
m:n. (20)
3 Рекомендации по оформлению курсовой работы
Состав и объем курсовой работы
Курсовая работа состоит из расчетно-пояснительной записки (РПЗ) с иллюстративным графическим материалом,
размещенным по разделам работы.
Расчетно-пояснительная записка объемом от 15 до 30
страниц содержит:
- титульный лист
- задание на курсовую работу;
- лист «Замечания руководителя»;
- содержание;
- введение;
- основную часть (расчетную, исследовательскую);
- заключение;
- список литературы;
- приложения (при необходимости).
118
4 Требования к структурным элементам РПЗ
4.1 Титульный лист является первой страницей РПЗ и
оформляется в соответствии с приложением В.
Примечание – Допускается на титульном листе приводить сокращения ученых степеней, ученых званий руководителя и членов комиссии.
4.2 Задание на курсовую работу оформляют в соответ-
ствии с обязательным приложением Г.
Заполнять формы бланков приложений В, Г необходимо
четким почерком тушью, чернилами или пастой только одного
цвета (черного, синего или фиолетового).
4.3 Содержание включает введение, наименование всех
разделов, подразделов, пунктов (если они имеют наименование), заключение, список литературы, наименование приложений с указанием номеров страниц, с которых начинаются эти
элементы расчетно-пояснительной записки.
4.4 Список литературы должен содержать сведения об
источниках, использованных при составлении расчетнопояснительной записки. Примеры библиографических описаний даны в Приложении Д.
5 Правила оформления текстовых документов
5.1 Общие требования
5.1.1 Страницы текстовых документов и включенные в
них иллюстрации, таблицы должны соответствовать формату
А4 (297x211 мм).
5.1.2 Текст выполняется с использованием компьютера и
принтера - в редакторе Microsoft Word: шрифт Times New Roman, размер-14, цвет шрифта - черный, междустрочный интервал - полуторный, отступ первой строки (абзацный отступ)
1,25 см, выравнивание текста - по ширине, расстановка переносов по тексту – автоматическая и напечатан на принтере в
режиме качественной печати.
119
5.1.3 Текст следует печатать, соблюдая следующие размеры полей: левое - 20 мм, правое - 10 мм, верхнее - 20 мм,
нижнее - 20 мм.
5.1.4 Незначительные опечатки и графические неточности допускается исправлять подчисткой или закрашиванием
белой краской.
5.1.5 Страницы должны быть заполнены текстом не менее чем на 1/3 часть.
5.1.6 Текст документа должен быть кратким, четким и не
допускать различных толкований.
При изложении обязательных требований в тексте должны применяться слова "должен", "следует", "необходимо",
"требуется чтобы", "разрешается только", "не допускается",
"запрещается", "не следует". При изложении других положений следует применять слова - "могут быть", "как правило",
"при необходимости", "может быть", "в случае" и т.д.
При этом допускается использовать повествовательную
форму изложения текста документов, например, "применяют",
"указывают" и т.п.
В тексте документов должны использоваться научнотехнические термины, обозначения и определения, установленные соответствующими стандартами, а при их отсутствии –
общепринятые в научно-технической литературе.
5.1.7 Числовые значения величин в тексте следует указывать со степенью точности, которая необходима, при этом в
ряду величин осуществляется выравнивание числа знаков после запятой.
Округление числовых значений величин до первого, второго, третьего и т.д. десятичного знака для различных типоразмеров, марок и т.п. изделий одного наименования должно
быть одинаковым.
5.1.8 Текст документа разделяют на разделы, подразделы,
которые, в свою очередь, могут состоять из пунктов и подпунктов.
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]