Химическая термодинамика

Федеральное агентство по образованию

Пензенский государственный педагогический университет им. В.Г. Белинского

КУРСОВАЯ РАБОТА

Химическая термодинамика

Выполнила студентка группы Х-41(2):

Кямякова Галия Ибрагимовна

Пенза 2008 г.

Содержание

Введение

Глава 1. Первый закон термодинамики

1.1 Вопросы и задания

1.2 Примеры

1.3 Задачи

Глава 2. Приложение первого закона термодинамики к химии. Термохимия

2.1 Вопросы и задания

2.2 Примеры

2.3 Задачи

Глава 3. Второй закон термодинамики. Энтропия

3.1 Вопросы и задания

3.2 Примеры

3.3 Задачи

Глава 4. Термодинамические потенциалы

4.1 Примеры

4.2 Задачи

Литература

Введение

Физическая химия – наука, которая изучает общие закономерности физических процессов и является теоретической основой всей химической науки и технологии химических производств. Наиболее важным и в то же время одним из самых сложных разделов физической химии является химическая термодинамика. В данной курсовой работе приведен перечень вопросов и задач по химической термодинамике. Эти задачи носят комплексный характер и позволяют ученикам подготовиться к химическим олимпиадам. Целью настоящей работы явился подбор заданий по химической термодинамике, адаптация их к требованиям химических олимпиад для школьников, а так же разработка методики их решения с учетом межпредметных связей с математикой и физикой.

Решение задач дает возможность применить теоретические знания на практике, расширить, углубить и систематизировать их, стимулируют мыслительную деятельность учеников, развивают последовательность в действиях, логику.

Глава 1. Первый закон термодинамики

 

1.1  Вопросы и упражнения

1)         Что такое термодинамика и какие явления она изучает?

2)         Приведите несколько формулировок первого закона термодинамики и покажите, что они не противоречат друг другу. Почему первый закон термодинамики называют первым началом?

3)         Что такое система? Какие ее виды различают?

4)         Дайте определение и приведите примеры термодинамических процессов: изотермического, изобарического, изохорического и адиабатического.

5)         Что такое внутренняя энергия системы и из чего она слагается?

6)         Дайте определение идеального газа. Что собой представляет внутренняя энергия идеального газа?

7)         Почему термодинамика рассматривает не абсолютное значение внутренней энергии, а только ее изменение?

8)         Что такое энтальпия и какова ее связь с внутренней энергией? Почему для конденсированных систем разница между энтальпией и внутренней энергией мала, а для систем газообразных значительна?

9)         Перечислите способы передачи энергии от одной системы к другой.

10)      Что такое теплота и работа?

11)      Дайте определение теплоемкости удельной, атомной, молярной (мольной)? Какая связь существует между мольными теплоемкостями при постоянном давлении и постоянном объеме?

12)      Работа определяется двумя величинами: фактором интенсивности и фактором емкости (экстенсивности). Что будут представлять собой эти факторы при совершении механической работы, электрической и работы по расширению газов?

13)      Что такое максимальная работа расширения идеального газа? Почему газ, расширяясь в вакууме, работы не совершает?

14)      Напишите уравнения, выражающие максимальную работу расширения идеального газа при изотермическом, изобарическом, изохорическом и адиабатическом процессах.

15)      Дайте определение обратимым и необратимым термодинамическим процессам. Приведите примеры. Можно ли реальные природные процессы считать полностью обратимыми?

1.2 Примеры

Пример 1-1

Газ расширяясь от 10 до 16 л при постоянном давлении 101,3*10³ н/м², поглощает 126 Дж теплоты. Определите изменение внутренней энергии газа.

Решение:

 

p₁ = p₂ = 101,3*10³ Па, V₁ = 10 л = 1*10^{-2 м3} ,

V₂ =16 л = 16*10^{-3 м3},

Q_{p =} 126 Дж.

Согласно первому закону термодинамики

DU = Q_p – W.

Работа, совершенная газом при изобарическом расширении, может быть вычислена по уравнению

W= p (V₂–V₁);

Отсюда

DU = Q_p - p (V₂–V₁);

DU = 126 - 101,3*10³ (1* 10^-2 – 16*10^-3) = 481,8Дж

Ответ: 481,8Дж

Пример 1-2

Рассчитайте работу изотермического (27°С) расширения 1 моль углекислого газа от 2,24 до 22,4 л.

Решение:

 

n = 1 моль, V₁ = 2,24л = 2,24*10^{-3 м3} , V₂ = 22,4*10^{-3 м3} ,

Т = 27°С = 300 K.

Работа изотермического расширения системы может быть вычислена по уравнению:

W = nRT *2,3 lg(V₂ /V₁);

W = 1*8,314*300*2,3 lg (22,4*10^-3 / 2,24*10^-3) = 5736,66 Дж

Ответ: 5736,66 Дж

Пример 1-3

При 273 К и 1,0133*10⁵ Па нагревают 5*10^{-3 м3} криптона до873 К при постоянном объеме. Определите конечное давление газа и теплоту, затраченную на нагревание.

Решение:

V = 5*10^{-3 м3}, T₁ = 273 К, Т₂ = 873 К, р₁ = 1,0133*10⁵ Па.

Теплоту, затраченную на нагревание можно найти по формуле:

Q_v = nC_v(T₂ – T₁).

Количество криптона вычисляется из уравнения состояния идеального газа:

pV = nRT; n = p₁V/RT₁;

n = 1,0133*10⁵ * 5*10^-3 /8,314*273 = 0,223 моль.

Для одноатомных газов С_v = 3/2R ;

Q_v = 0,223*3/2*8,314(873 – 273) = 1668,620 Дж

Конечное давление при постоянном объеме и известной температуре можно найти по закону Шарля:

p₁/T₁ = p₂/T₂;

p₂ = p₁T₂/ T₁;

p₂ = 1,0133*10⁵*873/273 = 3,2403*10⁵ Па

Ответ: Q_v= 1668,620 Дж, p₂= 3,2403*10⁵ Па

Пример 1-4

Один моль одноатомного газа, взятого при 25°С и давлении 1,013*10⁵ Па, адиабатически расширился до 0,05 м³. Каковы будут конечные давление и температура?

Решение:

 

T₁ = 25°С = 298 K, P₁ = 1,013*10⁵ Па, V₂ = 0,05 м³.

Исходный объем газа (n = 1):

V₁ = nRT₁/р₁ = 1*8,314*298/1,013*10⁵ = 2,445*10^{-2 м3}.

Конечные давление и температуру можно найти из уравнения адиабаты (g = С_р/С_v для одноатомных газов близко к 5/3):

р₁V₁^5/3 = р₂V₂^5/3,

р₂ = р₁(V₁/ V₂ )^5/3, р₂ = 1,013*10⁵*(2,445*10^-2/5,000*10^-2)^5/3 Па = 0,3*10⁵ Па

Т₁V₁^g-1 = Т₂V₂^g-1, Т₂ =Т₁ (V₁/ V₂)^g-1,

Т₂ = 298*(2,445*10^-2/5,000*10^-2)^{5/3 – 1}К = 183 К

Ответ: р₂ =0,3*10⁵ Па, Т₂ = 183 К.