Термодинамический расчет для химической реакции в интервале температур
Термодинамический расчет для химической реакции в интервале температур
Введение
Термодинамика - наука о взаимопревращениях различных форм энергии и законах этих превращений. Термодинамика базируется только на экспериментально обнаруженных объективных закономерностях, выраженных в двух основных началах термодинамики.
Термодинамика изучает:
Изучение законов, которые описывают химические и физические равновесия, имеет особое значение в химической термодинамике; их знание позволяет решать, не прибегая к опыту, многие важнейшие задачи, встречающиеся в производственной, проектной и научно-исследовательской работе. Главными задачами являются следующие:
1)определение условий, при которых данный процесс становится возможным (без совершения работы извне);
)нахождение пределов устойчивости изучаемого вещества (совокупности веществ) в тех или иных условиях;
)выяснение, каким путем можно уменьшить количество получающихся при реакции нежелательных веществ или даже вовсе избежать их образования, т.е. подавить или устранить побочные реакции;
)выбор оптимального режима процесса (температуры, давления, концентрации реагентов) и т.д.
Целью термодинамического расчета является определение теплового эффекта заданной химической реакции и возможность ее протекания в заданном интервале температур.
Задание
Провести термодинамический расчет для химической реакции в интервале температур от 298 до 1500 К:
.
В таблице 1 приведены справочные данные некоторых термодинамических величин [1].
термодинамика тепловой химический
Таблица 1 - Термодинамические величины [1]
Вещество Теплоемкость, Дж/(мольK) Коэффициенты уравнения -167,3693,9362,3423,85---110,5197,428,414,1-0,46-033,322,646,28-135613,02-393,5213,644,149,04-8,53-
1. Расчет теплового эффекта химической реакции при стандартных условиях
Тепловым эффектом реакции называется теплота, выделяющаяся или поглощающаяся при реакции, протекающей термодинамически необратимо при равенстве температур начала и конца процесса.
За стандартные условия принимают температуру 298 К и давление 0,1 МПа. Расчеты тепловых эффектов химических реакций основаны на законе Гесса: «Тепловой эффект химических реакций зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути процесса». Закон Гесса применим к процессам, которые проводят при постоянном объеме или давлении.
Тепловые эффекты химических реакций в стандартных условиях можно рассчитать по табличным значениям стандартных теплот образования DН0обр или стандартных теплот сгорания DН0сгор.
Стандартной теплотой образования данного вещества называется тепловой эффект образования 1 моля рассматриваемого вещества из простых веществ, устойчивых в этих условиях.
Стандартной теплотой сгорания данного вещества называется тепловой эффект реакции окисления 1 моля этого вещества кислородом с образованием высших оксидов, входящих в это вещество.
По закону Гесса следует, что тепловой эффект реакции равен разности между стандартными теплотами образования продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометричемких коэффициентов.
, (1)
где - тепловой эффект химической реакции при стандартных условиях;
- стехиометрические коэффициенты.
Если тепловой эффект реакции положительный, то процесс называется эндотермическим, если тепловой эффект реакции отрицательный, то процесс называется экзотермическим.
Подставляя числовые значения, получим:
.
Реакция является экзотермической, проходит с выделением тепла.
2. Расчет теплового эффекта химической реакции по уравнению Кирхгофа
Зависимость теплового эффекта химической реакции от температуры выражается уравнением Кирхгофа:
,(2)
где - тепловой эффект химической реакции при температуре Т;
- разность теплоемкостей продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.
(3)
Для расчетов необходимо знать зависимость теплоемкости от температуры для исходных веществ и продуктов реакции, выражаемую уравнением (4):
,(4)
где ?, ?, ? - коэффициенты, которые определяются опытным путем.
Подставляем в уравнение (4) значения из таблицы 1:
,
,
,
.
При температуре 1356 К, входящей в интервал расчета, медь претерпевает фазовое превращение первого рода.
Удельная теплоемкость меди в жидком состоянии:
.
Из уравнений (3), (4) следует:
,(5)
где , , - разность коэффициентов ?, ?, ? продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.
,(6)
,(7)
.(8)
Для процесса, проходящего в интервале температур 298-1356 К, получим разность коэффициентов ?, ?, ?:
.
.
.
Согласно выражению (5), уравнение зависимости теплоемкости от температуры, в интервале температур 298-1356 К, выглядит следующим образом:
.
Аналогично производим вычисления зависимости теплоемкости от температуры, в в интервале температур 1356-1500 К, учитывая уравнение температурной зависимости удельной теплоемкости меди при температуре фазового перехода.
.
.
.
Уравнение теплового эффекта химической реакции, с учетом фазового перехода, будет иметь вид:
, (9)
Проинтегрировав уравнение (9) и подставив числовые значения температур, получим:
(10)
где
Подставляя остальные числовые значения, получим:
Значение теплового эффекта химической реакции . Это означает, что в ходе реакции выделяется тепло. Процесс является экзотермическим.
3. Расчет изменения изобарно-изотермического потенциала
Критерием принципиальной осуществимости процесса при постоянном давлении и температуре является изменение изобарно-изотермического потенциала (энергии Гиббса).
(11)
где - изменение энтальпии;
- изменение энтропии.
Условие принципиальной осуществимости процесса, т.е. возможности протекания реакции в прямом направлении без затраты энергии, является неравенство . Неравенство свидетельствует о невозможности протекания процесса. Признаком завершенности процесса и установлении термодинамического равновесия в системе является условие .
Для начала рассчитаем величину - разность стандартных абсолютных энтропий продуктов реакции и исходных веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов:
.(12)
.
Уравнение для с учетом фазового перехода будет иметь вид:
, (13)
где = - изменение энропии при фазовом переходе.
Предварительно проинтегрировав уравнение (13), подставим числовые значения:
.
Уравнение изменения энергии Гиббса имеет вид:
.(14)
Рассчитаем данную величину:
.
Изменение энергии Гиббса при 1500К:
Возможен самопроизвольный процесс в прямом направлении.
Заключение
Проведен расчет химической реакции.
Реакция протекает с выделением тепла и является экзотермической, так как D Н< 0.
Реакция термодинамически возможна в области температур начиная с 298К до 1500К, так как в этой области температур энергия Гиббса DG < 0.
Список использованных источников
1 Краткий справочник физико - химических величин / К.П. Мищенко [и др.]; под ред. А.А. Равделя; - Л.: Химия, 1983. - 232 с.
Больше работ по теме:
Предмет: Физика
Тип работы: Контрольная работа
Новости образования
КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]
Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение
ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ