- •Міністерство освіти і науки україни
- •Частина і. Термодинаміка
- •1.1 Основи термодинаміки
- •1.1.1 Основні поняття технічної термодинаміки. Основні термодинамічні параметри. Рівняння стану.
- •1.1.2 Газові суміші
- •1.1.3 Калоричні параметри стану
- •1.1.6 Перший закон термодинаміки
- •1.1.4 Ентропія
- •1.1.4.1 Робота зміни об’єму
- •1.1.5 Робота і теплота
- •1.1.7 Теплоємність
- •1.1.8 Теплоємність металів і металовмісних сполук
- •1.1.9 Термодинамічні процеси ідеальних газів у закритих системах
- •Політропний процес
- •1.1.10 Другий закон термодинаміки
- •Цикл Карно
- •1.1.11 Формулювання другого закону термодинаміки
- •1.2 Основи хімічної кінетики
- •1.2.1 Швидкість хімічних реакцій
- •1.2.2 Вплив температури на швидкість хімічних реакцій
- •1.2.3 Хімічна рівновага
- •1.2.4 Константа рівноваги хімічної реакції залежить від температури.
- •1.3 Основи хімічної термодинаміки, поняття хімічної термодинаміки
- •1.3.1 Основи хімічної термодинаміки
- •1.3.2 Закон Гесса і його наслідки
- •1.3.3 Залежність теплового ефекту хімічної реакції від температури. Закон Кірхгофа
- •1.4 Деякі явища в рідних середовищах і на поверхні розподілу фаз
- •1.4.1 Розчинність газів
- •1.4.2 Розподіл компонента між двома рідинами
- •1.4.3 Поверхневий натяг
- •1.4.4 Адсорбція
- •1.4.5 Умова змочування і незмочування рідин
- •1.4.6 Дисоціація окисів
- •2 Теплообмін при зварюванні
- •2.1 Теплопровідність
- •2.1.1 Теплопровідність під час стаціонарного режиму і граничних умов 1 роду
- •2.1.2 Частинні випадки рівняння теплопровідності
- •Крайові умови
- •2.1.3 Теплопровідність за наявності внутрішніх джерел теплоти
- •Необмежена пластина
- •Циліндричний стержень
- •2.1.4 Необмежена плоска стінка
- •2.1.5 Циліндрична стінка
- •2.1.6 Теплопровідність під час стаціонарного режиму і граничних умовах III роду (теплопередача)
- •2.1.7 Теплопередача через плоску стінку
- •Розв'язання
- •2.2 Конвективний теплообмін
- •2.2.1 Основні поняття та визначення конвективного теплообміну
- •2.2.2 Узагальнюючі залежності (рівняння подібності) конвективного теплообміну
- •2.3 Теплообмін випроміненням
- •2.3.1 Основні поняття і визначення
- •2.3.3 Випромінення сірих тіл
- •2.3.4 Теплообмін випроміненням між твердими тілами
- •2.3.5 Теплові екрани
- •2.3.6 Випромінення газів
- •Перелік використаних і рекомендованих джерел
1.3.2 Закон Гесса і його наслідки
Внаслідок того, що внутрішня енергія і ентальпія є функціями стану, тепловий ефект реакції при сталому об’ємі не залежить від термодинамічного шляху процесу, а визначається лише початковим і кінцевим станом системи. Цю закономірність встановив у 1840 р. Гесс Г.І., який сформулював основний закон термохімії:
Тепловий ефект реакції залежить лише від початкового та кінцевого стану системи і не залежить від шляху, по якому протікає реакція. Із закону Гесса випливають наслідки :
Тепловий ефект утворення складної речовини чисельно дорівнює тепловому ефекту її розкладання.
Якщо із двох різних початкових речовин досягається один і той самий кінцевий результат, то різниця теплових ефектів обох реакцій дорівнює тепловому ефекту переходу із одного початкового стану в другий.
Якщо із одного і того ж початкового стану досягається двох різних кінцевих сигналів, то різниця теплових ефектів цих реакцій дорівнює тепловому ефекту переходу із одного кінцевого стану в інший.
Тепловий ефект хімічної реакції дорівнює різниці між сумою теплот утворення продуктів
і
сумою теплот утворення вихідних речовин
з
врахуванням стехіометричних коефіцієнтів
речовини в рівнянні реакції:

Тепловий ефект хімічної реакції дорівнює різниці між сумою теплот згорання продуктів реакції
і
сумою теплот згорання продуктів реакції
з
врахуванням стехіометричних коефіцієнтів
речовин у рівнянні реакції:

Закон
Гесса і наслідки з нього дають змогу
обчислити тепловий ефект реакцій на
основі табличних даних про теплоти
утворення неорганічних речовин і теплоти
згоряння органічних сполук за сталих
умов. Внаслідок того, що розрахунки в
хімії виконують для ізобарних процесів,
можна скористатись табличним значенням

Для
простих речовин

Приклад 1. Визначити теплоту згоряння етилену

Розв’язок. Скористаємось двома методами: 1-й метод. Комбінуючи задані термодинамічні рівняння встановимо водень і вуглець. З цією метою рівняння (б) множимо на 2 і віднімаємо із нього рівняння (а):

Отриманий результат почленно додамо до рівняння (в), попередньо помножимо на 2

2-й
метод. Використовуючи третій наслідок
Гесса, внаслідок того, що всі приведені
в умові задач теплові ефекти є теплотами
утворення етилену, діоксину вуглецю і
води із простих речовин


Теплоти утворення простих речовин водню і кисню дорівнюють нулю.
1.3.3 Залежність теплового ефекту хімічної реакції від температури. Закон Кірхгофа
Тепловий
ефект
є функціями відповідно внутрішньої
енергії та ентальпії, тому вони залежать
від температури і тиску, а для ідеальних
газів, лише від температури. Щоб встановити
залежність від температури теплового
ефекту ізохорної реакції, продиференціюєм
за температурою рівняння
.

тут
- сумані
істинні теплоємності відповідно вихідних
і кінцевих компонентів реакції
отримаємо

отримані
співвідношення можна узагальнити
формулою
яка означає
математичний вираз закону Кірхгофа.
Закон Кірхгофа формулюється так:
Похідна теплового ефекту по температурі дорівнює різниці сумарної теплоємності вихідних і кінцевих компонентів реакції.
Конкретні значення коефіцієнтів теплоємності С1 і С2 залежить від вигляду рівняння хімічної реакції.
У загальному вигляді і для реакції
аА+вВ+…=сС+dD+…
маємо
C1=аСА+вСВ+…=
.
С2=сСС+dCD+…=
тут
n1
число
кіломолей кожної із вихідних речовин,
а
-
мольна істинна теплоємність
і
число
кіломолей і мольна теплоємність кожного
із продуктів реакції.
Для отриманої шуканої залежності в явному вигляді проінтегруємо диференціальне рівняння dQ=C1dT- C2dT, тоді одержимо

Це рівняння можна записати у вигляді

Тут
під
мається на
увазі число кіломолей кожного із
компонентів реакції.
Якщо відомий тепловий ефект реакції за стандартних умов Q0, можна знайти тепловий ефект реакції за будь-якої температури за формулою

Для реакцій, в яких залежність теплоємності від температури виражається поліномом Сіст=а0+а1T+ а2T2+…

Тут
-
алгебраїчні струми постійних а0,
а1,
а2 індивідуальних
речовин у відповідних рівнях. При
додаванні постійних величин, які
розміщені зліва в рівняннях реакції,
беруть із знаком «-», а величини які
розташовані справа, зі знаком «+». Якщо
температурна залежність теплоємності
від температури виражається рядом

При
практичних розрахунках тепловий ефект
знаходять за даними таблиць в яких Н
ентальпії реагуючих речовин. Перехід
системи із одного стану в інший
супроводжується зміною його ентальпії
.
Різниця між початковими речовинами і вихідними речовинами за заданої температури T рівна

Приклад 1. Тепловий ефект згоряння CO до СО2 при 25 °С дорівнює 283 кДж/моль. Визначити залежність теплового ефекту цієї реакції від температури і його величину при 2000 К. Температурні залежності молярних теплоємностей речовини, які приймають в реакції виражаються рівняннями для СО2


