Министерство образования российской федерации череповецкий государственный университет

Инженерно-технический институт

Кафедра химии

Практические занятия по теме

«Энергетика химических процессов»

По дисциплине «Химия»

Учебно-методическое пособие

ЧЕРЕПОВЕЦ

2002

Практические занятия по теме «Энергетика химических процессов» по дисциплине «Химия». Учебно-методическое пособие к практическим занятиям по дисциплине «Химия». Череповец: ЧГУ, 2002. с. 29.

Пособие включает в себя основные теоретические сведения, примеры решения задач и варианты контрольных заданий по теме «Энергетика химических процессов» курса общей химии. Содержание учебно-методического пособия соответствует государственному стандарту дисциплины «Химия» для химических и инженерно-технических специальностей.

Рассмотрено на заседании кафедры химии, протокол № 5 от 05.02.2002 г.

Одобрено редакционно-издательской комиссией Инженерно-технического института ЧГУ, протокол № 2 от 26.02.2002 г.

Составитель: О.А. Калько – канд. техн. наук, доцент

Рецензенты: В.А. Котенко, канд. техн. наук, доцент (ЧГУ);

Г.В. Козлова, канд. хим. наук, доцент (ЧГУ)

Научный редактор: О.А. Калько – канд. техн. наук, доцент

© Череповецкий государственный

университет, 2001

Первый закон термодинамики

Объектом изучения термодинамики является термодинамическая система ‑ это совокупность тел, мысленно выделенная из пространства, в которой возможен массо- и теплообмен между всеми ее составными частями. По характеру взаимодействия с окружающей средой системы бывают:

1. изолированные - между системой и окружающей средой отсутствует обмен энергией и веществом;

2. закрытые - система и окружающая среда могут обмениваться между собой энергией без массообмена;

3. открытые - между системой и окружающей средой имеется обмен и веществом и энергией.

Состояние системы принято характеризовать термодинамическими параметрами (свойствами системы), которые подразделяют на интенсивные и экстенсивные. Интенсивные свойства не зависят от массы или количества вещества в системе (температура, давление, концентрация), а экстенсивные, наоборот, зависят от количества или массы вещества. К последним относятся, например, объем, энергия и др. При изменении хотя бы одного из своих параметров система переходит в другое состояние. Переход системы из начального состояния (состояние № 1) в конечное (состояние № 2) называется термодинамическим процессом. Если термодинамический процесс протекает при постоянстве какого-либо параметра, то его называют:

• изобарическим (р = const);

• изохорическим (V = const);

• изотермическим (T = const);

• адиабатическим (нет обмена теплотой или q = 0).

Для термодинамического описания системы принято использовать функции состояния - это какая-либо физическая величина, значение которой однозначно определяется термодинамическими свойствами системы. К особым свойствам функций состояния относят их независимость от пути (способа) достижения данного состояния.

Любая система обладает определенным запасом энергии, которую называют внутренней энергией U. Внутренняя энергия включает в себя энергию движения и взаимодействия молекул, атомов, ядер и других частиц, внутриядерную и другие виды энергий, кроме кинетической энергии движения системы, как целого, и потенциальной энергии ее положения. Количественный учет всех составляющих внутренней энергии невозможен, но для термодинамического анализа системы достаточно знать лишь изменение внутренней энергии при переходе системы из начального состояния в конечное U = U₂ - U₁ .

Величина U является функцией состояния системы. Значение U положительно (U > 0), если внутренняя энергия системы возрастает.

В ходе процессов, протекающих в изолированных системах, выполняется первый закон термодинамики: вся сообщенная системе теплота q расходуется на увеличение внутренней энергии системы U и на совершение работы против внешних сил А

q = U + А .

Теплота, работа и внутренняя энергия измеряются в джоулях или килоджоулях на единицу массы или количества вещества в системе (например, Дж/кг или кДж/моль). Положительной (А > 0) считается работа, совершаемая системой против внешних сил, а q > 0 в том случае, если тепло сообщается системе извне. Теплота и работа, в отличие от внутренней энергии, не является функциями состояния, так как их значения зависят от способа проведения процесса. Их называют функциями процесса.

Если на систему не действуют никакие другие силы, кроме постоянного внешнего давления, то при протекании химического процесса единственным видом работы является работа расширения А = pV .

В этом случае первый закон термодинамики примет вид

q_p = U + pV ,

где q_p - теплота изобарического процесса.

Запишем более подробно

q_p = U₂ - U₁ + pV₂ - pV₁ = (U₂ + pV₂) - (U₁ + pV₁).

Введем новую функцию состояния H = U + pV , называемую энтальпия. Тогда первый закон термодинамики для изобарического процесса можно записать следующим образом

q_p = H₂ - H₁ = H .

Для изохорического процесса работа расширения системы равна нулю, следовательно, первый закон термодинамики в этом случае будет выражаться уравнением

q_V = U ,

где q_V - теплота изохорического процесса.

Для химических реакций изменение внутренней энергии и изменение энтальпии связаны между собой соотношением

U = H - nRT,

где n - изменение числа моль газообразных веществ в реакции, моль; T - температура, К; R = 8,314 .

Пример 1. При постоянном давлении 1,0110⁵ Па газ расширили от объема 110^-2 м³ до объема 1,610^-2 м³, при этом система поглотила 125,6 Дж тепла. Вычислите изменение внутренней энергии в данном процессе.

Р е ш е н и е

1. Вычислим работу расширения системы

А = pV = 1,0110⁵ Па (1,610^-2 - 110^-2) м³ = 606 Дж;

2. Используем первый закон термодинамики

U = q - A = 125,6 - 606 = -480,4 Дж .

Пример 2. Рассчитайте изменение внутренней энергии при испарении 100 г воды при 20С, если на испарение 1 г воды расходуется 2,4 кДж тепла. Пар считать идеальным газом, а объемом жидкой воды пренебречь.

Р е ш е н и е

1. Вычислим количество теплоты, необходимое для испарения 100 г воды

q = 100  2,4 = 240 кДж;

2. Так как при испарении жидкости давление и температура не изменяются, то работу расширения системы можно определить, используя закон Менделеева-Клапейрона

A = p(V_пара - V_жид)  pV_пара = = = ;

3. Вычисляем изменение внутренней энергии

U = q - A = 240 - 13,5 = 226,5 кДж .

Пример 3. Определите U реакции 2Cl_{2, газ} + 2Н₂О_газ = 4НСl_газ + О_{2, газ} при 298 К, если Н₂₉₈ реакции равно 114,5 кДж.

Р е ш е н и е

1. Вычислим n реакции

n = n_HCl + n_O2 - n_Cl2 - n_H2O = 4 + 1 - 2 - 2 = 1 моль;

2. Тогда изменение внутренней энергии реакции составит

U = H - nRT = 114500 Дж - 1 моль8,314 298 К = 112022 Дж .

З А Д А Ч И

1. Определите работу расширения 100 г азота, находящегося при температуре 273 К и давлении 1,0110⁵ Па, в процессе его изобарического расширения до двукратного объема.

2. Какая работа будет совершена 1 кг СО₂ при повышении его температуры от 273 К до 373 К при постоянном давлении?

3. 1,5 моль водорода находятся под давлением 5,0510⁵ Па при 273 К. После расширения при постоянном давлении, газ занял объем 0,015 м³. Определите работу расширения.

4. Вычислите изменение внутренней энергии при испарении 90 г воды при 100С, если на испарение 1 моль воды расходуется 40,7 кДж тепла. Пар считать идеальным газом, а объемом жидкой воды пренебречь.

5. Определите изменение внутренней энергии при испарении 50 г толуола при 30С, если на испарение 1 г толуола расходуется 348 Дж тепла. Пары толуола считать идеальным газом, а объемом жидкого толуола пренебречь.

6. Вычислите изменение внутренней энергии при испарении 200 г бензола при 20С, если на испарение 1 моль бензола расходуется 30,9 кДж тепла. Пары бензола считать идеальным газом, а объемом жидкой фазы пренебречь.

7. Определите U для реакции взаимодействия водорода и кислорода с образованием жидкой воды, если H реакции равно -286,2 кДж на 1 моль водорода.

8. Растворение 1 моль цинка в разбавленной серной кислоте при 293 К сопровождается выделением 143,1 кДж тепла. Одновременно выделяется 1 моль водорода, причем против сил внешнего давления совершается работа. Определите изменение внутренней энергии. Объемом конденсированных фаз пренебречь.

9. Вычислите изменение внутренней энергии при испарении 50 г этилового спирта, если на испарение 1 г спирта требуется 857,7 Дж теплоты, а изменение объема в данном процессе составило 30,35 дм³.

10. Рассчитайте U при испарении 1 кг воды при 423 К, если теплота затрачиваемая на испарение 1 кг воды равна 2110 кДж. Пар считать идеальным газом, а объемом жидкости пренебречь.

11. Изменение внутренней энергии системы Fe_т + Сl_{2, г} = FeCl_{2, т} равно ‑334 кДж. Определите H при 298 К.

12. Определите работу расширения, производимую 2 м³ газа при постоянном давлении 98,34 кПа, если к концу процесса его объем равен 7 м³.

13. Изменение энтальпии системы N_{2, г} + О_{2, г} = 2NO_г равно -180 кДж. Определите U при 298 К.

14. При температуре 300 К определите разность между H и U для реакции С_графит + 2Н_2,г = СН_4,г .

15. Для реакции, лежащей в основе работы свинцово-кислотного аккумулятора, PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ = 2PbSO₄ + 2H₂O убыль внутренней энергии составляет 365 кДж, а количество тепла, поглощаемое аккумулятором извне, равно 227 кДж. Чему равна работа, совершаемая данной системой?

16. Протекание реакции Ag_т + Cl_{2, г} = AgCl_т при давлении 1 атм. и температуре 298 К Н = -126,7 кДж. Какое количество тепла выделится при изохорном протекании данной реакции при 298 К?

17. При 1800 К 200 г воздуха занимают объем 80 дм³. Определить произведенную воздухом работу расширения, если при постоянном давлении его объем увеличить в два раза.

18. Для реакции С_т + О_{2, г} = СО_{2, г} Н при 300 К составило -400 кДж. Чему равно U при той же температуре?

19. Вычислите изменение внутренней энергии при испарении 10 г воды при 100 С, если на испарение 10 моль воды расходуется 407 кДж тепла. Пар считать идеальным газом, а объемом жидкой воды пренебречь.

20. Определите количество теплоты, если при давлении 1 атм. объем системы уменьшился на 0,05 м³, а изменение внутренней энергии составило 12 кДж.

21. Определите работу расширения 100 г кислорода, находящегося при температуре 373 К и давлении 2,0210⁵ Па, в процессе его изобарического расширения до двукратного объема.

22. Вычислите изменение внутренней энергии при испарении 20 г этилового спирта, если на испарение 1 г спирта требуется 857,7 Дж теплоты, а изменение объема системы на каждый грамм спирта в данном процессе составляет 0,607 дм³.

23. Вычислите изменение внутренней энергии при испарении 50 г воды, если на испарение 1 моль воды расходуется 40,7 кДж тепла, а изменение объема системы при испарении 1 г воды равно 1,7 дм³. Давление считать нормальным.

24. Для реакции 2С_графит + О_{2, г} = 2СО _г Н при 300 К составило -220 кДж. Чему равно U при той же температуре?

25. При 180 К 20 г хлора занимают объем 80 дм³. Определить работу расширения, если при постоянном давлении газ увеличил свой объем в три раза.