Fyzikální chemie. 1.2 Termodynamika

Transkript

1 Fyzikální chemie. ermodynamika Mgr. Sylvie Pavloková Letní semestr 07/08

2 děj izotermický izobarický izochorický konstantní V ermodynamika rvní termodynamický zákon (zákon zachování energie): U Q + W izotermický děj: U 0 Q W exanze: V, soustava koná ráci W < 0 a řijímá telo Q > 0 komrese: V, ráce konaná okolím W > 0 a soustava ředává telo do okolí Q < 0 objemová ráce: V W n R ln n R ln V izochorický děj: adiabatický děj: W 0 U Q 0 U Q W

3 děj izotermický izobarický izochorický konstantní V ermodynamika rvní termodynamický zákon (zákon zachování energie): U Q + W teelné kaacity Q C n [ C] J mol K Q c m [ c] J kg K - - Mayerův vztah C Cv R 3

4 děj izotermický izobarický izochorický konstantní V ermodynamika stavová rovnice: V n R Boylův zákon V konst. ro izotermický děj V V Charlesův zákon konst. ro izochorický děj 4

5 Příklad č. Jaká je změna vnitřní energie, vykonaná objemová ráce a telo vyměněné s okolím ři izotermické vratné exanzi 0 kmol ideálního lynu z tlaku Pa na tlak 0 30 Pa ři telotě 73 K? 5

6 Příklad č. Změna vnitřní energie ro ideální lyn za izotermického děje U 0 J Výočet vykonané objemové ráce W n R ln W 5,3 MJ elo vyměněné s okolím U Q + W Q 5,3 MJ 6

7 Příklad č. kmol ideálního lynu exanduje ři 7 C izotermně a vratně z 0 dm 3 na 40 dm 3. Vyočítejte ráci a telo vyměněné s okolím. 7

8 Příklad č. W n R V ln V,73 MJ U Q + W Q,73 MJ 8

9 Příklad č. 3 0 dm 3 vodíku, uzavřeného v bombě od tlakem 5000 Pa ři telotě 7 C, zvětší izotermicky svůj objem na 00 dm 3. Vyočítejte, kolik tela se sotřebuje na exanzi lynu a tlak vodíku o exanzi. 9

10 Příklad č. 3 Výočet látkového množství n V n R 0, mol Výočet sotřebovaného tela V Q W n R ln V 6 J Výočet tlaku vodíku o exanzi (Boylův zákon) V kpa V 0

11 Příklad č. 4 Jakou ráci musíme vynaložit na stlačení 80,64 g vodíku na ětinásobný tlak izotermickou vratnou komresí ři telotě 7 C? M (H ),06 g mol -.

12 Příklad č. 4 Výočet látkového množství n H m M H H 40 mol Výočet ráce vynaložené ke stlačení lynu W n R ln 6kJ

13 Příklad č dm 3 dusíku bylo izochoricky zahřáto z 5 C na 365 C. Původní tlak byl 00 kpa. Jaký je výsledný tlak a jak se změnila vnitřní energie soustavy? Předokládáme ideální chování. C 9,9 J K - mol -. 3

14 4 Příklad č. 5 Výočet výsledného tlaku odle Charlesova zákona Změna vnitřní energie soustavy kpa kj C n Q U Q Q W Q U mol n R n V K mol J C R C C v - v v 30,5 0 4,7 0,

15 Druhý termodynamický zákon Clausiova formulace: telo nemůže samovolně řecházet ze soustavy o nižší telotě do soustavy o vyšší telotě samovolné fyzikální a chemické děje umožňuje zjistit směr sontánní změny entroie uzavřeného systému nikdy neklesá S 0 entroie stavová extenzivní veličina (hodnota závisí na velikosti soustavy) z hlediska termodynamiky možné definovat ouze její změnu (v důsledku energetické výměny mezi soustavou a okolím) 5

16 Entroie [ΔS] J K - Qrev S vratný děj izotermický děj: izochorický děj: izobarický děj V S n R ln n R ln V S S n C n C ln ln V n CV V ln V ln n C 6

17 vnitřní energie U Vnitřní energie a entalie energie všech částic, z nichž se těleso skládá entalie H vyjadřuje energii uloženou v termodynamickém systému dokážeme určit jen její změnu množství tela, které se uvolní nebo sotřebuje ři dějích za konstantního tlaku H U + V izotermická reakce rovázená změnou objemu ΔU 0 izotermická reakce rovázená změnou tlaku ΔH 0 7

18 I + II termodynamický zákon Helmholtzova energie (volná energie) [ΔF] J F U ro, V konst. ΔF 0 rovnováha (), samovolný děj (<) S 8

19 I + II termodynamický zákon Gibbsova energie (volná entalie) [ΔG] J G H ro, konst. ΔG 0 rovnováha (), samovolný děj (<) S reakce: ΔG < 0 exergonická ři reakci dochází k uvolnění energie, kterou lze řeměnit na ráci; ΔG > 0 endergonická energie je sotřebovávána entroie: ΔS 0 rovnováha (), samovolný děj (>) 9

20 Příklad č. 6 Jak se změní entroie 0,05 m 3 lynného dusíku vratným ohřátím z 5 C na 000 C ři stálém tlaku 0, MPa? C 9,5 J K - mol -. 0

21 Příklad č. 6 Výočet látkového množství V n R n,07 mol Výočet změny entroie soustavy S n C ln 85,3 J K

22 Příklad č. 7 Vyočítejte změnu vnitřní energie, změnu entalie, vykonanou objemovou ráci, telo vyměněné s okolím, změnu entroie, změnu Gibbsovy energie a změnu Helmholtzovy energie ři vratné izotermické exanzi 5 molů ideálního lynu z tlaku 400 kpa na 00 kpa ři telotě 350 K.

23 Příklad č. 7 Změna vnitřní energie U 0J Změna entalie H 0J U Q + W U 0 Q W Vykonaná objemová ráce a telo W n R ln W Q Q 0, kj 0, kj 3

24 Příklad č. 7 Změna entroie S n R ln 57,6 J K Změna Gibbsovy energie G H S 0, kj Změna Helmholtzovy energie F U S 0, kj U Q + W 4

25 řetí termodynamický zákon nelze dosáhnout konečným očtem kroků teloty absolutní nuly z hlediska entroie: entroie všech čistých krystalických látek je ři absolutní telotě nula nulová umožňuje vyočítat absolutní entroie čistých látek ři vyšších telotách 5

26 ermochemie studium teelných změn rovázejících izotermické chemické reakce za konstantního tlaku nebo objemu energie ve formě tela se uvolňuje do okolí (exotermická reakce ΔH< 0) nebo se sotřebovává (endotermická reakce ΔH>0), říadně nedochází k řenosu energie (atermická reakce ΔH 0) [ΔQ r ] kj mol - reakční telo charakterizující chemické reakce odle stechiometrické rovnice izobarické reakce: reakční entalie ΔH r izochorické: vnitřní energie ΔU r změny veličin udávány ro rocesy robíhající za standardních odmínek ( 98,5 K; 0,35 kpa) tabulky H 0 98,5, G, S 0 98,5 0 98,5 6

27 ermochemie změna standardní veličiny (ř. entalie) reakce 0 0 H ν H ν H G S r r r ν G ν S 98,5(rodukty) 0 98,5(rodukty) 0 98,5(rodukty) ν G ν S 98,5(reaktanty) 0 98,5(reaktanty) 0 98,5(reaktanty) standardní molární entalie (Gibbsovy energie, entroie) látek účastnících se reakce H, G, S 98,5 98,5 98,5 molární veličiny: [ΔH] [ΔG] J mol - [ΔS] J K - mol - nulováδh a ΔGro všechny rvky v jejich nejstabilnějším fyzikálním stavu ři tlaku 0,35 kpa a telotě 98,5 K ALE: ro ΔSnelatí 7

28 Rovnovážná konstanta charakterizuje složení reakční směsi o dosažení chemické rovnováhy aa + bb K [ C] [ A] K> reakce robíhá směrem k roduktům C + D K rovnováha reakční rychlost zětné reakce se vyrovná rychlosti reakce římé K< reakce robíhá v oačném směru k A + B c a [ D] [ B] cc d b + dd znalost K nezbytná ři lánování odmínek rocesů (růmysl) 8

29 9 Rovnovážná konstanta změna standardní volné energie reakce ΔG vztažená k rovnovážné konstantě K van thoffovarovnice: telotní závislost rovnovážné konstanty R G e K R G K K R G ln ln ln R H K K R ] [ ] [ ] [ mol J H mol J G mol K J R R

30 Příklad č. 8 Jaká je změna standardní Gibbsovy energie ři reakci: Al O 3 (s) + 3 H (g) Al (s) + 3 H O (g) K výočtu oužijte slučovací Gibbsovy energie: G R rodukty) G ( G (reaktanty) G 0 98,5sluč ( kj mol Al O 3 (s) 576,6 H O (g) 8,7 ) 30

31 Příklad č. 8 Al O 3 (s) + 3 H (g) Al (s) + 3 H O (g) G R G ( rodukty) G (reaktanty) 89kJ mol 3

32 Příklad č. 9 Vyočítejte rovnovážnou konstantu syntézy amoniaku z rvků ři telotě 5 C. N + 3 H NH 3 G sluč (NH3) 6,45 kj mol - 3

33 Příklad č. 9 Změna standardní Gibbsovy energie G R G (rodukty) G (reaktanty) 3900 J mol Rovnovážná konstanta syntézy amoniaku G R ln K K 5,

34 Příklad č. 0 Jak se změní rovnovážná konstanta K syntézy amoniaku z rvků ři zvýšení teloty z 5 C na 600 K? K 5, N + 3 H NH 3 H sluč ( NH 3 ) 46, kj mol 34

35 Příklad č. 0 Změna standardní entalie N + 3 H NH 3 H R H (rodukty) H (reaktanty) 90J mol Rovnovážná konstanta syntézy amoniaku ln K K K H R 4,3 0 R 3 35

36 Příklad č. Určete rovnovážnou konstantu K reakce: N + 3 H NH 3 ři telotě 5 C z termodynamických dat, je-li reakční entalie H 0 98,5-9, kj mol - Látka S 0 98,5 ( J K N 9,58 H 30,68 NH 3 9,45 mol ) 36

37 Příklad č. Změna standardní entroie S R S R(rodukty) S R(reaktanty) 98,7 J K N + 3 H NH 3 - mol - Rovnovážná konstanta syntézy amoniaku G G K H R 5,98 0 S 397,6 5 ln K J mol - 37