Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника


ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ




Инженерно-технический институт

 
 


Кафедра химии

 

 

Практические занятия по теме

«Энергетика химических процессов»

по дисциплине «Химия»

 

Учебно-методическое пособие

 

 

ЧЕРЕПОВЕЦ


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 DU = U2 - U1 .

Величина DU является функцией состояния системы. Значение DU положительно (DU > 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 DU и на совершение работы против внешних сил А

q = DU + 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×DV .

В этом случае первый закон термодинамики примет вид

qp = DU + p×DV ,

где qp - теплота изобарического процесса.

Запишем более подробно

qp = 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

qp = H2 - H1 = DH .

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

qV = DU ,

где qV - теплота изохорического процесса.

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

DU = DH - Dn×R×T,

где Dn - 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×DV = 1,01×105 Па (1,6×10-2 - 1×10-2) м3 = 606 Дж;

2. Используем первый закон термодинамики

DU = 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(Vпара - Vжид) » pVпара = = = ;

3. Вычисляем изменение внутренней энергии

DU = q - A = 240 - 13,5 = 226,5 кДж .

 

Пример 3.Определите DU реакции 2Cl2, газ + 2Н2Огаз = 4НСlгаз + О2, газ при 298 К, если DН298реакции равно 114,5 кДж.

Р е ш е н и е

1. Вычислим Dn реакции

Dn = nHCl + nO2 - nCl2 - nH2O = 4 + 1 - 2 - 2 = 1 моль;

2. Тогда изменение внутренней энергии реакции составит

DU = DH - Dn×R×T = 114500 Дж - 1 моль×8,314 ×298 К = 112022 Дж .

 


Поделиться:

Дата добавления: 2015-04-16; просмотров: 69; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2024 год. (0.005 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты