1. PIERWSZA I DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI TERMOCHEMIA

Podobne dokumenty
(1) Równanie stanu gazu doskonałego. I zasada termodynamiki: ciepło, praca.

Zadanie 1. Zadanie: Odpowiedź: ΔU = 2, J

Ćwiczenia audytoryjne z Chemii fizycznej 1 Zalecane zadania kolokwium 1. (2018/19)

Podstawowe pojęcia Masa atomowa (cząsteczkowa) - to stosunek masy atomu danego pierwiastka chemicznego (cząsteczki związku chemicznego) do masy 1/12

Zadanie 1. Zadanie: Odpowiedź: ΔU = 2, J

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

ZADANIA Z CHEMII Efekty energetyczne reakcji chemicznej - prawo Hessa

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Podstawowe pojęcia 1

Ćwiczenia rachunkowe z termodynamiki technicznej i chemicznej Zalecane zadania kolokwium 1. (2014/15)

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Zadania pochodzą ze zbioru zadań P.W. Atkins, C.A. Trapp, M.P. Cady, C. Giunta, CHEMIA FIZYCZNA Zbiór zadań z rozwiązaniami, PWN, Warszawa 2001

Termochemia efekty energetyczne reakcji

Podstawy termodynamiki

Kontakt,informacja i konsultacje

GAZ DOSKONAŁY. Brak oddziaływań między cząsteczkami z wyjątkiem zderzeń idealnie sprężystych.

Termochemia elementy termodynamiki

TERMODYNAMIKA. przykłady zastosowań. I.Mańkowski I LO w Lęborku

PODSTAWY TERMODYNAMIKI

TERMODYNAMIKA I TERMOCHEMIA

Przemiany termodynamiczne

Ciepła tworzenia i spalania (3)

Termodynamika techniczna i chemiczna, 2015/16, zadania do kol. 1, zadanie nr 1 1

WYKŁAD 3 TERMOCHEMIA

Wykład 7: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

TERMOCHEMIA. TERMOCHEMIA: dział chemii, który bada efekty cieplne towarzyszące reakcjom chemicznym w oparciu o zasady termodynamiki.

Chemia fizyczna/ termodynamika, 2015/16, zadania do kol. 1, zadanie nr 1 1

WYKŁAD 2 TERMODYNAMIKA. Termodynamika opiera się na czterech obserwacjach fenomenologicznych zwanych zasadami

Wykład 10 Równowaga chemiczna

Termodynamika. Część 4. Procesy izoparametryczne Entropia Druga zasada termodynamiki. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Warunki izochoryczno-izotermiczne

Fizyka Termodynamika Chemia reakcje chemiczne

= = Budowa materii. Stany skupienia materii. Ilość materii (substancji) n - ilość moli, N liczba molekuł (atomów, cząstek), N A

Temperatura jest wspólną własnością dwóch ciał, które pozostają ze sobą w równowadze termicznej.

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Temodynamika Roztwór N 2 i Ar (gazów doskonałych) ma wykładnik adiabaty κ = 1.5. Określić molowe udziały składników. 1.7

Rozwiązanie: Rozwiązanie najlepiej rozpocząć od sporządzenia szkicu, który jest pierwszym stopniem zrozumienia opisywanego procesu (serii przemian).

Kryteria samorzutności procesów fizyko-chemicznych

Podstawy termodynamiki

Wykład FIZYKA I. 14. Termodynamika fenomenologiczna cz.ii. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Praca objętościowa - pv (wymiana energii na sposób pracy) Ciepło reakcji Q (wymiana energii na sposób ciepła) Energia wewnętrzna

Ćwiczenia audytoryjne z Chemii fizycznej 1 Zalecane zadania kolokwium 1. (2016/17)

3. Przyrost temperatury gazu wynosi 20 C. Ile jest równy ten przyrost w kelwinach?

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH. RÓWNOWAGA CHEMICZNA

ZADANIA Z FIZYKI - TERMODYNAMIKA

TERMODYNAMIKA Zajęcia wyrównawcze, Częstochowa, 2009/2010 Ewa Mandowska

Para wodna najczęściej jest produkowana w warunkach stałego ciśnienia.

Zadania domowe z termodynamiki I dla wszystkich kierunków A R C H I W A L N E

Inżynieria procesów przetwórstwa węgla, zima 15/16

Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji?

4. 1 bar jest dokładnie równy a) Pa b) 100 Tr c) 1 at d) 1 Atm e) 1000 niutonów na metr kwadratowy f) 0,1 MPa

Termodynamika. Energia wewnętrzna ciał

I piętro p. 131 A, 138

TERMOCHEMIA SPALANIA

Entropia - obliczanie. Podsumowanie

Przegląd termodynamiki II

K raków 26 ma rca 2011 r.

10. FALE, ELEMENTY TERMODYNAMIKI I HYDRODY- NAMIKI.

Termodynamiczny opis przejść fazowych pierwszego rodzaju

TERMODYNAMIKA FENOMENOLOGICZNA

1. 1 J/(kg K) nie jest jednostką a) entropii właściwej b) indywidualnej stałej gazowej c) ciepła właściwego d) pracy jednostkowej

Podstawowe prawa opisujące właściwości gazów zostały wyprowadzone dla gazu modelowego, nazywanego gazem doskonałym (idealnym).

I. Podstawowe pojęcia termodynamiki Termodynamika (nauka o transformacjach energii; zajmuje się badaniem efektów energetycznych przemian fizycznych i

b) Wybierz wszystkie zdania prawdziwe, które odnoszą się do przemiany 2.

Chemia fizyczna/ termodynamika, 2015/16, zadania do kol. 2, zadanie nr 1 1

Wykład Temperatura termodynamiczna 6.4 Nierówno

Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

TERMOCHEMIA SPALANIA

Prawo Hessa. Efekt cieplny reakcji chemicznej lub procesu fizykochemicznego

Układ termodynamiczny Parametry układu termodynamicznego Proces termodynamiczny Układ izolowany Układ zamknięty Stan równowagi termodynamicznej

Termodynamika Część 6 Związki i tożsamości termodynamiczne Potencjały termodynamiczne Warunki równowagi termodynamicznej Potencjał chemiczny

Materiały pomocnicze do laboratorium z przedmiotu Metody i Narzędzia Symulacji Komputerowej

Zadania domowe z termodynamiki dla wszystkich kierunków A R C H I W A L N E. Zadania domowe z termodynamiki I dla wszystkich kierunków

Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Termodynamika. Cel. Opis układu niezależny od jego struktury mikroskopowej Uniwersalne prawa. William Thomson 1. Baron Kelvin

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 19 TERMODYNAMIKA CZĘŚĆ 2. I ZASADA TERMODYNAMIKI

Odwracalność przemiany chemicznej

Miejsce biofizyki we współczesnej nauce. Obszary zainteresowania biofizyki. - Powrót do współczesności. - obiekty mikroświata.

WYZNACZANIE STOSUNKU c p /c v

Równanie gazu doskonałego

Zagadnienia do pracy klasowej: Kinetyka, równowaga, termochemia, chemia roztworów wodnych

Inżynieria Biomedyczna. Wykład IV Elementy termochemii czyli o efektach cieplnych reakcji

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

W pierwszym doświadczeniu nastąpiło wrzenie wody spowodowanie obniżeniem ciśnienia.

Elementy termodynamiki chemicznej. Entalpia:

Przemiany gazowe. 4. Który z poniższych wykresów reprezentuje przemianę izobaryczną: 5. Który z poniższych wykresów obrazuje przemianę izochoryczną:

4. Przyrost temperatury gazu wynosi 20 C. W kelwinach przyrost ten jest równy

Chłodnictwo i Kriogenika - Ćwiczenia Lista 3

Obiegi gazowe w maszynach cieplnych

Wykład 6. Klasyfikacja przemian fazowych

a) 1 mol b) 0,5 mola c) 1,7 mola d) potrzebna jest znajomość objętości zbiornika, aby można było przeprowadzić obliczenia

Termodynamika. Część 5. Procesy cykliczne Maszyny cieplne. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu - reakcje egzoenergetyczne i endoenergetyczne, szybkość reakcji chemicznych

prawa gazowe Model gazu doskonałego Temperatura bezwzględna tościowa i entalpia owy Standardowe entalpie tworzenia i spalania 4. Stechiometria 1 tość

Wydział Chemiczny PW, Termodynamika, kierunek Biotechnologia, , kolokwium I K (A) 1 do 75 atm. atm.

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

c. Oblicz wydajność reakcji rozkładu 200 g nitrogliceryny, jeśli otrzymano w niej 6,55 g tlenu.

Stany materii. Masa i rozmiary cząstek. Masa i rozmiary cząstek. m n mol. n = Gaz doskonały. N A = 6.022x10 23

Entalpia swobodna (potencjał termodynamiczny)

1. Zaproponuj doświadczenie pozwalające oszacować szybkość reakcji hydrolizy octanu etylu w środowisku obojętnym

Transkrypt:

. PIERWSZA I DRUGA ZASADA ERMODYNAMIKI ERMOCHEMIA Zadania przykładowe.. Jeden mol jednoatomowego gazu doskonałego znajduje się początkowo w warunkach P = 0 Pa i = 300 K. Zmiana ciśnienia do P = 0 Pa nastąpiła: a) w warunkach stałej temperatury, b) w warunkach stałej objętości. Obliczyć q, w, U oraz H obu procesów zakładając, że zachodzące przemiany są odwracalne. a) Dla procesu izotermicznego ( = 0) U = 0 i H = 0 zatem q = -w Praca w procesie izotermicznym dana jest równaniem: V w nr V nr P 0 = ln = ln = 8, 34 300ln = 78, 8 J P 0 st¹d: q = 78,8 J b) W procesie izochorycznym ( V = 0) w = PdV= 0 zatem U = q Zmiana energii wewnętrznej dana jest równaniem V V U = n C d Wobec faktu, że mamy do czynienia z gazem doskonałym, C v = const., zatem: U = nc v ( - ) emperaturę końcową obliczamy z zależności: v

P P P 0 300 = = = = 0K P 0 stąd: U =, R( 0 300) = 870, 6 J = q (C v dla jednoatomowego gazu doskonałego wynosi,r). Zmianę entalpii wyliczymy z zależności: ( ) p p H = n C d = nc H =, R( 0 300) = 37, 7 J (C p =const.).. Dwa mole dwuatomowego gazu doskonałego, znajdujące się początkowo w warunkach V =,4 0 - m 3 i = 73 K, zwiększyły dwukrotnie swoją objętość odwracalnie w warunkach stałego ciśnienia. Obliczyć q, w, U i H tego procesu oraz parametry końcowe. Proces jest izobaryczny, a więc P = const. Obliczamy ciœnienie: nr 8 34 73 P = =, =, 06 0 Pa V 4, 0 emperaturę końcową obliczamy z zależności: Praca dana jest zależnością: V V V V = = = V V = 73 = 46 K Dla procesu izobarycznego (P = const) V w= PdV V w = - P(V - V ) = -,06 0 (4,48. 0 - -,4. 0 - ) = -438, J U = nc v ( - ) =,R (46-73) = 348,6 J (C v dla gazu doskonałego dwuatomowego wynosi, R). Wobec faktu, że U = q + w

q = U - w = 348,6 -(-438,) = 886,8 J H = nc p ( - ) = 3,R (46-73) = 888,0 J W procesie izobarycznym q równe jest oczywiście H. Występujące tu różnice są związane z zaokrągleniami przy obliczeniach..3. Jeden mol azotu znajduje się w cylindrze z tłokiem pod ciśnieniem 0 Pa w temperaturze 400 K. Cylinder jest izolowany cieplnie od otoczenia. Gaz rozprężył się do ciśnienia końcowego 0 Pa trzema różnymi drogami: a) przy P zewn. nieznacznie mniejszym od ciśnienia gazu (przez cały czas trwania procesu), b) przeciwko stałemu ciśnieniu zewnętrznemu P = 0 Pa, c) przy P zewn. = 0. Obliczyć q, w, U, H i S procesów oraz końcowe temperatury dla procesów a), b) i c). Azot traktujemy jak gaz doskonały. Cylinder jest izolowany cieplnie od otoczenia, nie ma zatem wymiany ciepła między cylindrem (układem) a otoczeniem, stąd wniosek, że mamy do czynienia z przemianami adiabatycznymi, czyli q = 0. a) Zapis punktu a) wskazuje, że mamy do czynienia z procesem odwracalnym, za- tem zmiana entropii gazu S(układu) = 0. Końcową temperaturę obliczymy z zależności słusznej jedynie dla odwracalnej adiabaty: C R P 0 p ln = ln 3, R ln = R ln = 38K P 400 0 U = nc v ( - ) =,R(38-400) = -496, J ponieważ q = 0 3 to: w = U = -496, J H = n C p ( - ) = 3,R(38-400) = -09, J b) Rozprężanie przeciwko stałemu ciśnieniu zewnętrznemu jest procesem nieodwracalnym. Dla obliczenia temperatury końcowej skorzystamy z zależności: U = w 3

4 nc v ( - ) = -P(V - V ) V obliczymy z zależności V nr 8, 34 400 = = = 66, 0 P 0 V wyrazimy za pomocą parametrów końcowych V R = 0 stąd otrzymamy zależność: R, R ( 400) = 0 66, 0 0 gdzie jedyną niewiadomą jest szukana temperatura końcowa. = 34,8 K U = w =,R(34,8-400) = - 88,9 J H = 3,R(34,8-400) = -664, J Zmianę entropii układu obliczymy korzystając z zależności: m 3 S C R P = p ln ln słusznej dla dowolnej przemiany mola gazu P doskonałego 34, 8 0 S= 3, Rln Rln = 7, J K 400 0 c) Dla procesu rozprężania do próżni mamy w = 0, a ponieważ q = 0, zatem i U = 0, i w konsekwencji = 0. Wobec = 0, H = 0. S C R P 0 = p ln ln = R ln = 76, J K P 0.4 Jeden mol jednoatomowego gazu doskonałego znajdujący się w warunkach normalnych wykonuje cykl odwracalny pokazany na rysunku: 4

Podczas przemiany A następuje dwukrotne zwiększenie ciśnienia, przy braku wymiany ciepła z otoczeniem. Określić rodzaj przemian oraz obliczyć wartości q, w, U i H dla poszczególnych przemian i dla cyklu. Wyniki przedstawić w tablicy. Przemiana A jest procesem adiabatycznym (q = 0) Przemiana B jest procesem izochorycznym (V = const) Przemiana C jest procesem izobarycznym (P = const). Ponieważ H i U są funkcjami stanu, zatem dla cyklu H i U są równe 0. Obliczamy temperaturę w punkcie. Dla odwracalnej adiabaty C R P p ln = ln P zatem R ln = Rln = 360K 73 U A = w A = nc v ( - ) =,R(360-73) = 08,0 J H A = nc p ( - ) =,R(360-73) = 808,3 J Obliczamy temperaturę w punkcie 3. Ciśnienie, jak wynika z rysunku, osiąga w punkcie 3 wartość ciśnienia początkowego. Dla przemiany izochorycznej P P3 P 3 = 3 = = = 80K P 3 U B = q B =,R(80-360) = -44,8 J

6 H B =,R(80-360)= -374,3 J Przemiana C jest procesem izobarycznym. Wielkości U C, H C można obliczyć wykorzystując fakt, że dla cyklu przemian zmiana funkcji stanu jest równa 0. U A + U B + U C = 0 U C = - U A - U B = -08 + 44,8 = 9,8 J H C = 933 J W przemianie izobarycznej H C = q C = 933 J, a ponieważ U C = q C + w C, zatem w C = -773, J. Po podsumowaniu wartości q i w dla poszczególnych przemian okazuje się, że dla cyklu: -q = w = 3,8 J, co świadczy o poprawności obliczeń. Przemiana/Proces w [J] q [J] U [J] H [J] A-adiabatyczny 08.0 0 08,0 808,3 B -izochoryczny 0-44,8-44,8-374,3 C-izobaryczny -773, 933,0 9,8 933,0 Cykl 3,8-3,8 0 0.. Obliczyć H i U reakcji: C H + H = C H 6 w temperaturze 98 K, mając do dyspozycji ciepła tworzenia: H o 98 tw.(c H ) = 7,0 kj mol - H o 98 tw.(c H 6 ) = -8,0 kj mol - oraz ciepła spalania: H o 98 sp.(c H ) = -300 kj mol - H o 98 sp.(c H 6 ) = -60 kj mol - H o 98 sp.(h ) = -86 kj mol - Związek pomiędzy efektem cieplnym reakcji a ciepłem tworzenia produktów i substratów, wynikający z prawa Hessa, można zapisać w postaci wzoru: ( ) ( ) H = n H n H i i tw prod. i tw i substr. gdzie: n i - oznacza współczynniki stechiometryczne w równaniu reakcji. Należy pamiętać, że wszystkie użyte w obliczeniach wartości ciepeł muszą odnosić się do tych warunków (temperatury, ciśnienia, stanu skupienia), w 6

jakich przebiega reakcja. Jeżeli korzystamy z ciepeł spalania reagentów, to odpowiednia zależność ma postać następującą: ( i sp ) ( i sp. ). i H = n H n H substr. Obliczamy H reakcji na podstawie ciepeł tworzenia. i prod. ( tw tw ) o o ( ) ( ) ( ) o 98tw. 6 98. 98. H = H C H H C H + H H H = -8 - (7 + 0) = - 3 kj Należy zwrócić uwagę na fakt, że entalpie tworzenia pierwiastków w stanie standardowym są równe zeru, jeżeli w tych warunkach występują one w odmianach termodynamicznie trwałych. Obliczamy H reakcji w temperaturze 98 K na podstawie ciepeł spalania. o o ( ) ( ) ( ) o 98 sp. 98 sp. 98 sp. 6 H = H C H + H H H C H H = -300 + (-86) - (-60) = -3 kj Celem przeliczenia efektu cieplnego reakcji w warunkach stałego ciśnienia ( H) na efekt cieplny reakcji, w warunkach stałej objętości ( U), skorzystamy z zależności: U = H - n g R wynikającej z I zasady termodynamiki, gdzie: n g to zmiana liczby moli gazowych reagentów. ng = ( ni) ( n ) prod. i substr. Zatem: U = -3000 - (-). 8,34. 98 = -307044 J = 307,0 kj 7.6. Obliczyć H i U reakcji: 3C H (g) = C 6 H 6 (g) w temperaturze 398 K, mając do dyspozycji następujące dane: H o 98 tw.(c H ) = 7,0 kj mol - H o 98 tw.(c 6 H 6 ) = 83,0 kj mol - Zadanie należy rozwiązać dla dwu przypadków: a) Molowe pojemności cieplne (C p ) nie są funkcjami temperatury i wynoszą: C p (C H ) = 43,9 J mol - K - oraz C p (C 6 H 6 ) = 8,7 J mol - K - b) Molowe pojemności cieplne są funkcjami temperatury opisanymi przez następujące zależności: C p (C H ) = 3, + 68,. 0-3 [J mol - K - ] 7

8 oraz C p (C 6 H 6 ) = -33,9 + 387,9. 0-3 [J mol - K - ] Obliczamy H reakcji w temp.98 K wykorzystując ciepła tworzenia reagentów. H = H tw. (C 6 H 6 ) - 3 H tw. (C H ) = 83-3. 7 = -98 kj Zależność ciepła reakcji od temperatury otrzymujemy wykorzystując prawo Kirchhoffa. H = H + C d (.6.) p gdzie: C p - oznacza różnicę pojemności cieplnych produktów i substratów pomnożonych przez odpowiednie współczynniki stechiometryczne. Dla powyższej reakcji: C p = C p (C 6 H 6 ) - 3C p (C H ) Jeżeli wartości C p nie są funkcjami temperatury (punkt a).) to równanie (.6.) przyjmuje postać: H = H + C ( ) p Zatem: H 398 = -98000 + (8,7-3. 43,9)(398-98) = -603 kj Jeżeli C p jest funkcją temperatury (punkt b).) o postaci C p = a + b, to równanie (.6.) przyjmie postać: b H ( ) H a b d H a( ) ( = + + = + ) + gdzie: a = -33,9-3 3, = -04,4 b = (387,9-3 68,). 0-3 = 8,4 0-3 Po podstawieniu otrzymamy: 3 H 398 = -98 0 3 8, 4 0-04,4(398-98) + (398-98 ) H 398 =-6006 J = -60, kj Obliczamy efekt cieplny reakcji w warunkach stałej objętości. U 398 = -60, 0 3 - (-) 8,34 398 = -9,4 kj.7. Obliczyć H i U reakcji izomeryzacji: CH 3 - O - CH 3 (g) = C H OH (c) w temperaturze 98 K, mając do dyspozycji następujące dane odnoszące się do temp. 98 K: H tw. (C H OH(c)) = - 76 kj mol - H tw. (H O(c)) = -84 kj mol - 8

H tw. (CO (g)) = -393 kj mol - H sp. (CH 3 -O-CH 3 ) = -460 kj mol - Uwaga! Jeżeli mamy podane ciepło spalania bez zapisu reakcji spalania, to pow- stająca woda znajduje się w stanie ciekłym. Ponieważ w tym przypadku nie dysponujemy ciepłami tworzenia lub też spalania obu reagentów, do obliczenia efektu cieplnego nie można wykorzystać zależności podanych w poprzednich zadaniach. Prawo Hessa mówi, że efekt cieplny procesu nie zależy od etapów pośrednich, a jedynie od początkowego i końcowego stanu układu, jeżeli tylko ciśnienie lub też objętość układu pozostają podczas procesu niezmienione i jedyną pracą, jaką układ wykonuje, jest praca przeciwko ciśnieniu zewnętrznemu. Wykorzystując dane podane w zadaniu możemy napisać szereg reakcji i przypisać im odpowiednie efekty cieplne, tak aby po dodaniu zapisanych reakcji otrzymać reakcję, której efekt cieplny mamy wyznaczyć. CH 3 - O - CH 3 + 3O = CO + 3H O(c) ; H = -460 kj (.7.) C + 3H +/O = C H OH(c) ; H = -84 kj (.7.) CO = C + O ; H 3 = 393 kj (.7.3) 3H O(c) = 3H + 3/O ; H 4 = 3 84 kj (.7.4) Należy zwrócić uwagę na fakt, że w reakcjach (.7.3) i (.7.4) były podane ciepła tworzenia H O(c) i CO. Zapisaliśmy reakcje odwrotnie, stąd zmieniliśmy znak przy efekcie cieplnym. Ponadto reakcję (.7.3) podwoiliśmy, a reakcję (.7.4) potroiliśmy, co też uwzględniono przypisując im odpowiednie wartości H 3 i H 4. Ponieważ, jak już wspomniano, dodanie czterech zapisanych reakcji daje reakcję: CH 3 - O - CH 3 (g) = C H OH(c) zatem poszukiwany efekt cieplny reakcji będzie równy sumie zmian entalpii poszczególnych reakcji. H x = H + H + H 3 + H 4 H x = -460-84 + 393 + 3 84 = -06 kj 9.8. Do 800 g wody o temperaturze 93 K, znajdującej się w izolowanym cieplnie zasobniku, wrzucono 63,4 g miedzi o temperaturze 363 K. Obliczyć zmianę entropii tego procesu wyrównywania się temperatur oraz wykazać, że proces ten jest samorzutny. Dla uproszczenia przyjmujemy, że pojemności cieplne wody i miedzi nie zależą od temperatury. C p (H O) = 7,3 J mol - K - C p (Cu) = 4, J mol - K - 9

0 M(Cu) = 63,4 g Do obliczenia temperatury końcowej wykorzystamy fakt, że suma zmian entalpii miedzi i wody musi być równa zero, ponieważ naczynie jest izolowane cieplnie (nie ma wymiany ciepła z otoczeniem). ( ) ( ) H + H = 0 n C 93 + n C 363 = 0 HO Cu HO p HO k Cu p Cu k Po podstawieniu mamy: 800 8 7, 3 ( 63 4 93) +, 4 ( 363) 0 63 4,, = k k Stąd k = 9, K Obliczamy zmiany entropii wody i miedzi korzystając z zależności: zatem S S= ncp ln 9, = 00 7, 3ln = 6, 33J K 93 HO Zmiana entropii układu wynosi więc S = 9, = Cu J 0 4, ln 0, 6 K 363 Su ( ) = SHO+ SCu = 676, J K Zmiana entropii otoczenia wynosi zero, zatem Suizol (. ) = Su ( ) + Sot ( ) = 676, J K > 0 k p proces samorzutny.9. Gaz doskonały zamknięty w cylindrze z tłokiem zajmującym początkowo objętość, 0 - m 3 pod ciśnieniem 3 0 Pa w temperaturze 70,6 K, rozpręża się do ciśnienia końcowego 0 Pa dwiema drogami: a) izotermicznie i odwracalnie, b) izotermicznie, przeciwko ciśnieniu zewnętrznemu równemu zero. Obliczyć dla obu procesów wartości: q, w, U, H, G oraz S dla układu i otoczenia. 0

Nieznana jest tu liczba moli gazu, którą obliczymy z równania: PV n = = 30 0, R 8, 34 70, 6 = a) Dla przemiany izotermicznej =0, stąd U i H = 0 oraz q = -w Pracę obliczymy z zależności V w nr V nr P 0 = ln = ln = R 70, 6ln P 30 q = 84 J Zmianę entalpii swobodnej obliczymy z zależności: = 84 J P G = nr = 84 J P ln Zmiana entropii układu równa jest stosunkowi ciepła wymienionego odwracalnie do temperatury, w której ta wymiana nastąpiła. ( ) S u q 84 = = = 674, J K 70, 6 Zmiana entropii układu izolowanego, równa sumie entropii układu ( S(u)) oraz otoczenia ( S(ot)), dla procesu odwracalnego jest równa zero. zatem S(u.izol) = S(u) + S(ot) = 0 S(ot) = -6,74 J K - Uwaga! Do obliczenia G można wykorzystać zależność G = H - S. Wobec faktu, że H = 0, G = - S = -70,6 6,74 = 84 J b) Podczas rozprężania przeciwko P zewn = 0 wykonana praca jest równa zero (w = 0). Ponieważ U = 0, to i q = 0 P G = nr ln P = 84J Zmiana entropii dla dowolnej przemiany gazu doskonałego dana jest zależnością:

P S= ncp ln nr ln P Dla przemiany izotermicznej = const. S u nr P 0 ( ) = ln = Rln = 674, J K P 30 S otoczenia jest równa zero, gdyż układ nie wymienił ciepła z otoczeniem S ( q ot )= = 0 = 0 S(u.izol) = S(u) + S(ot) = 6,74 + 0 = 6,74 J K - Jeżeli S układu izolowanego jest większa od zera, to proces jest samorzutny, co jest oczywiste w przypadku rozprężania gazu przeciwko P zewn = 0..0. Obliczyć q, w, U, H, S oraz G procesu parowania 3 moli benzenu w normalnej temperaturze wrzenia 33, K. Ciepło parowania benzenu w tej temperaturze wynosi 3,0 kj mol -. W warunkach izobarycznych q = H. q jest molowym ciepłem parowania, dla 3 moli mamy q = H = 3 3 = 93 kj. U = H - nr, gdzie n jest różnicą liczby moli gazowych produktów i substratów dla reakcji: 3C 6 H 6 (c) = 3C 6 H 6 (g) ; n = 3 zatem U = 93000-3. 8,34. 33, =8493,0 J = 84,9 kj Pracę obliczymy z równania I zasady termodynamiki U = q + w w = U - q = 84,9-93,00 = -8,8 kj Zmiana entropii przemiany fazowej jest równa stosunkowi entalpii (lub ciepła) przemiany do temperatury, w której przemiana zachodzi H 93000 S = = = 63, 38 J K 33, Zmiana entalpii swobodnej ( G) w warunkach izotermicznych dana jest zależnością: G = H - S. Jeżeli podstawimy S = H, to otrzymamy:

G = H H =0 Wniosek ten moglibyśmy wyciągnąć wcześniej, gdyż przemiana ta jest przemianą równowagową w warunkach izotermiczno-izobarycznych. Kryterium równowagi w tych warunkach to G = 0... Do kg wody o temperaturze 7 o C, znajdującej się w izolowanym cieplnie naczyniu, wrzucono 0,80 kg lodu o temperaturze 0 o C. Obliczyć temperaturę końcową oraz zmianę entropii układu i otoczenia. C p (H O(c)) = 7,3 J mol - K -, L t (H O) = 6 kj mol -. Dla uproszczenia obliczeń przyjmijmy, że pojemność cieplna wody ciekłej oraz ciepło topnienia lodu nie zależą od temperatury. Poszukując temperatury końcowej układu trzeba zwrócić uwagę, że mogą tu wystąpić dwa różne stany końcowe: a) cały lód się stopi, a temperatura końcowa będzie większa od zera, a mniejsza od 7 o C, b) część lodu się stopi; w stanie końcowym będziemy mieli w układzie lód i wodę, a temperatura końcowa będzie wynosiła 0 o C. Ponieważ układ jest izolowany cieplnie, możemy zapisać, że suma zmian entalpii będzie równa zeru. Zakładając, że stanem końcowym jest woda(punkt a), musimy uwzględnić: ) zmianę entalpii przy ochłodzeniu kg H O od temp. 300 K do k ) zmianę entalpii topnienia 0,8 kg H O(s), 3) zmianę entalpii związaną z ogrzaniem 0,8 kg H O od temp. 73K do k. 000 8 ( ) 000 H = 7, 3 8 k 300 H = 80 8 6000 ( ) H = 80 3 7 3 8, k 73 H = H + H + H 3 = 0 7, 3 ( 80 80 300) + 6000 7 3 ( 73) 0 8 + 8, = k k 3 stąd: k = 83,7 K 3

4 Ponieważ obliczona temperatura końcowa jest zawarta między 73 a 300 K, zatem przyjęte założenie jest słuszne. Obliczając entropię układu musimy uwzględnić trzy składowe odpowiadające punktom, i 3. S 000 83, 7 = 7, 3ln = 33, 7 J K 8 300 S 80 8 6000 = = 9, 78 J K 73 S 3 80 J K 8 7 3 83, 7 =, ln = 8, 9 73 S(u) = S + S + S 3 =,03 J K - Zmiana entropii otoczenia wynosi zero, ze względu na brak wymiany ciepła z otoczeniem. Zatem zmiana entropii układu izolowanego wynosi S(u.izol) = S(u) + S(ot) =,03 J K -.. Obliczyć absolutną entropię mola gazowego benzenu w temp.373 K pod ciśnieniem 0 Pa. Wartość absolutnej entropii benzenu ciekłego wynosi S o 98 = 73, J mol - K -. Zakładamy, że pojemności cieplne gazowego i ciekłego benzenu są niezależne od temperatury i wynoszą: C p (C 6 H 6 (g)) = 69, oraz C p (C 6 H 6 (c)) = 73, J mol - K -. emperatura wrzenia benzenu wynosi 33, K, a jego ciepło parowania 3,0 kj mol -. Symbol S o 98 oznacza absolutną entropię w warunkach standardowych, to jest w temp. 98 K i pod ciśnieniem,03 0 Pa. Zapiszmy ciąg przemian, które doprowadzą do podanego w zadaniu stanu końcowego benzenu. S ( 98 03 0 ) 6 6 ( 33 03 0 ) S S ( 33 03 0 ) 3 = = 6 6 ( 3 = 373 = 03 0 ) 4 ( = 373 = 0 ) S CH() c =, P=, CH() c =,, P=, 6 6 CH( g),, P, CH( g), P, 6 6 CH( g) KP, Pa 6 6 3 Szukana wartość absolutnej entropii będzie równa: o ( ( ))( 373, 0 ) o 98 3 4 S C H g = P= = S + S + S + S + S 6 6 4

gdzie: S - zmiana entropii związana z ogrzaniem benzenu od temp. 98 K do temp. 33, K pod ciśnieniem,03 0 Pa 33, 3 S = ncp ( C6H6()ln c ) = 73, ln = 9, 38 J mol K 98 S - zmiana entropii związana z przejściem fazowym w temp. S H p 3000 = = = 87, 79 J mol K 33, S 3 - zmiana entropii związana z podgrzaniem gazowego benzenu od temperatury wrzenia do temperatury końcowej 3 S = 3 373 3 ncp ( C6H6 g ) 69 4 76 J mol K = 33 = ( ) ln, ln,, S 4 - zmiana entropii związana z podwyższeniem ciśnienia gazowego benzenu do P = 0 Pa. S nr P 0 4 = ln = 8, 34ln = 6, J mol K P 03, 0 Ostatecznie ( )( ) o S C H ( g) = 373, P = 0 = 99, 48 J mol K 6 6 ZADANIA.. Dwuatomowy gaz doskonały znajdujący się początkowo w warunkach: P = 0, 0 Pa, V = 9,08 0 - m 3 i temperaturze 73 K jest sprężany odwracalnie do P = 0 Pa: a) w warunkach stałej objętości, b) w warunkach stałej temperatury. Obliczyć q, w, U oraz H obu procesów... mol jednoatomowego gazu doskonałego znajdujący się początkowo w warunkach: V = 4,48 0 - m 3, = 46 K zmniejsza dwukrotnie swoją objętość w warunkach stałego ciśnienia w sposób odwracalny. Obliczyć q, w, U i H tego procesu oraz parametry końcowe gazu..3. 3 g tlenu o temperaturze początkowej 98 K sprężono adiabatycznie i odwracalnie od objętości 8 0-3 m 3 do 0-3 m 3. Obliczyć temperaturę końcową gazu oraz w, U i H procesu, zakładając, że tlen zachowuje się jak gaz doskonały.

6.4. Wodór znajdujący się początkowo w warunkach P = 0 Pa, V =,87 0 - m 3 i temperaturze 300 K rozpręża się adiabatycznie do P = 0, 0 Pa dwiema drogami: a) przeciwko stałemu ciśnieniu zewnętrznemu 0, 0 Pa, b) przeciwko P zewn = 0. Obliczyć temperatury końcowe obu procesów oraz wartości w, U, H, G i S... mol gazu doskonałego jednoatomowego przechodzi cykl przemian odwracalnych: ) Gaz znajdujący się początkowo w warunkach normalnych zwiększa dwukrotnie swoją objętość w warunkach stałego ciśnienia. ) Następnie gaz jest sprężany izotermicznie wymieniając w tym procesie ciepło równe -693 J. 3) Kolejny etap to rozprężanie adiabatyczne do stanu początkowego. Obliczyć: q, w, U i H dla poszczególnych etapów i dla całego cyklu. Wyniki przedstawić w tabeli..6. Obliczyć H o 98 oraz U o 98 procesu tworzenia mola wody ciekłej mając dane: H o 98 tw(h O(g)) = -4, kj mol - oraz ciepło parowania wody w temperaturze 98 K równe 39,3 kj mol -..7. Obliczyć H i U reakcji: C H (g) + H = C H 4 (g) w temperaturze 398 K. Dane do obliczeń należy znaleyć w odpowiednich tablicach. Dla uproszczenia przyjąć, że pojemności cieplne reagentów są niezależne od temperatury..8. Obliczyć H oraz U reakcji 3CH 4 (g) + CO (g) = C H OH(c) w temperaturze 98 K, mając do dyspozycji następujące dane: H tw (C H OH(c)) = -78 kj H tw (H O(c)) = -86 kj H tw (CO ) = -394 kj H sp (CH 4 (g)) = -890 kj.9. Obliczyć wartość H i U reakcji 6

7 C 6 H 6 (g) + 3H (g) = C 6 H (g) w temperaturze 7 o C, jeżeli standardowe entalpie spalania ( H o 98) wodoru, benzenu i cykloheksanu wynoszą odpowiednio:-4 kj mol -, -374 kj mol -, -3694 kj mol -. Ciepła molowe reagentów przedstawiają następujące wyrażenia: C 6 H 6 : C p =,7 + 0, [J mol - K - ] C 6 H : C p = 0,9 + 0,4 [J mol - K - ] H : C p = 8,9 J mol - K -.0. Obliczyć temperaturę, w której H reakcji: CH 3 CHO(g) = CH 4 (g) + CO(g) będzie równe zeru. Standardowe ciepła tworzenia ( H o 98) aldehydu octowego, metanu i tlenku węgla wynoszą odpowiednio: -66,0, -7,0, -0, kj mol -. Przyjmujemy, że molowe pojemności cieplne są niezależne od temperatury i wynoszą odpowiednio:,4; 3,4 i 37,7 J mol - K - dla aldehydu octowego, tlenku węgla i metanu... Do kg wody w temperaturze 7 o C, znajdującej się w izolowanym cieplnie naczyniu, wrzucono 0, kg lodu o temp. 0 o C. Obliczyć temperaturę końcową oraz zmianę entropii układu i otoczenia. C p (H O(c)) = 7,3 J mol - K -, L t (H O) = 6 kj mol -... Obliczyć q, w, H, U, G i S procesu skraplania moli pary wodnej w normalnej temperaturze wrzenia 373 K. Ciepło parowania wody w tej temperaturze wynosi 4 kj mol -..3. Gaz doskonały jednoatomowy, zajmujący objętość 0 - m 3 w temperaturze 300 K i pod ciśnieniem 0 Pa, jest sprężany adiabatycznie i odwracalnie do ciśnienia równego 0 Pa. Obliczyć: w, U, H, S i G tego procesu. Wartość entropii absolutnej gazu w warunkach początkowych wynosi 00 J mol - K -..4. mol dwuatomowego gazu doskonałego znajdującego się początkowo w warunkach P = 0 4 Pa i V = 4 0 - m 3 rozpręża się w stałej temperaturze: a) odwracalnie do ciśnienia P =, 0 4 Pa, b) przeciwko stałemu ciśnieniu P =, 0 4 Pa. Obliczyć: q, w, H, U i S układu i otoczenia. 7

8.. Obliczyć wartość entropii absolutnej jednego mola pary wodnej znajdującej się pod ciśnieniem 0 Pa w temperaturze 400 K. S o 98(H O(c)) = 70 J mol - K -. Ciepło parowania w normalnej temperaturze wrzenia wynosi 4 kj mol - K -. C p (H O(c)) = 7,3 J mol - K -, C p (H O(g)) = 30,0 + 0,7 0-3 J mol - K -. ODPOWIEDZI DO ZADAN.. a) w = 0; U = q = 30 J; H = 888 J; b) U = 0; H = 0; w = 346, J; q = -346, J... w = 69 J; q = -674 J; U = -340 J; H = -674 J; P =,03 0 Pa; V =,4 0 - m 3 ; = 73 K..3. k = 360 K; q = 0; U = w = 89 ; H = 804 J..4. a) q = 0; U = w = -004,7 J; H = -806,6 J; S =,40 J K - ; G - nie mo?na obliczya bez znajomooci wartooci entropii absolutnej. b) q = 0; w = 0; U = 0; H = 0; S = 7,9 J K - ; G = 86, J.. Przemiana q [J] w [J] U [J] H [J] Izobara 674-69 340 674 Izoterma -693 693 0 0 Adiabata 0-340 -340-674 Cykl -69 69 0 0.6. H o 98 = -8, kj mol - ; U o 98 = -77,8 kj mol -..7. H o 398 = -77,4 kj ; U o 398 = -74, kj..8. H o 98 = 66,0 kj; U o 98 = 7,9 kj..9. H o 400 = -08,9 kj; U o 400 = -0, kj..0. = 466 K... k = 73 K; S u = 9,0 J K - ; S ot = 0; S u i = 9,0 J K -... G = 0; q = H = -84000 J; w = 60 J; U = -77798 J; S = -, J K -..3. U = w = 390,7 J; H = 3984, J; S = 0; G = -8, J..4. a) U = H = 0; w = -386, J; q = 386, J; S u =,76 J K - ; S ot = -,76 J K -. b) U = H = 0; w = -000 J; q = 000 J; S u =,76 J K - ; S ot -4,6 J K -... S(H O, p = 0 Pa, = 400 K) = 07, J mol - K -. 8