Лекция №2 Направление процессов в физико-химических системах (часть 1) Физико-химической




НазваниеЛекция №2 Направление процессов в физико-химических системах (часть 1) Физико-химической
Дата конвертации01.05.2013
Размер556 b.
ТипЛекция


Лекция № 2

  • Направление процессов в физико-химических системах (часть 1)


Физико-химической называют систему, составные части которой обмениваются друг с другом веществом и энергией («вода + лед», но не «вода + полиэтиленовый сосуд»).

  • Физико-химической называют систему, составные части которой обмениваются друг с другом веществом и энергией («вода + лед», но не «вода + полиэтиленовый сосуд»).

  • Согласно I началу термодинамики ΔU = Q – A (закон сохранения энергии – А. Лавуазье)

  • Превращение теплоты в работу

  • A = Q – ΔU

  • КПД < 1

  • Эквивалентность различных видов энергии не означает их равноценности.

  • «Жизнь» физико-химической системы – процессы на микро- и макро- уровне.

  • ВРЭМ и АСМ открыли путь к изучению процессов и промежуточных состояний системы на наноуровне (картинки ЭМ и АСМ, эволюция систем)



Обратимые и необратимые процессы

  • S плавлениекристаллизация L (для воды ΔΗ = 6 кДж/ моль)

  • S растворениеосаждение LS (ограниченная растворимость)

  • S1 фазовыйпереход S2 (Tc = 760 и 362ºС для Fe и Ni,

  • соответственно)

  • Термокраски:Ag2HgJ4 и Cu2HgJ4

  • «Оловянная чума»: при попытке покорения Южного полюса (превращение белого Sn в серое со скоростью, повышающейся при охлажднии)



Обратимые химические превращения

  • N2O4 ⇄ 2 NO2 ΔΗ→> 0

  • бурый бесцветный (эндотермическая реакция)

  • 2H2 + O2 ⇄ 2H2O ΔΗ→< 0 (экзотермическая реакция)

  • Получение водорода в рез-те

  • Осуществление термохимических циклов

  • CO + H2O ⇄ CO2 + H2 ΔΗ→> 0

  • При 810ºС исходная смесь из 2 моль СО + 2 моль Н2О или 2 моль СО2 + 2 моль Н2О дает эквимолярную смесь выше 810 ºС равновесие смещается влево, ниже 810 ºС равновесие смещается вправо



Необратимые химические превращения

  • Ba(NO3)2 + K2SO4 → BaSO4↓ + 2KNO3

  • C2H4 + 2.5O2 → 2CO2 + H2O (топливные ячейки)

  • HCl + KOH → KCl + H2O (титрование)

  • Необратимость – в открытых системах



Самопроизвольные процессы – это процессы, которые совершаются без внешнего воздействия

  • Примеры самопроизвольных процессов:

  • Загрязнение чистых веществ ( ОСЧ алюминий)

  • KMnO4 = K+aq + MnO4-,aq

  • Превращение механической работы в тепло при трении

  • Смешение газов

  • Кристаллизация из пересыщенного раствора Na2SO4

  • «Золушка» - Cinderella – сказка Перро

  • Испарение бензола

  • Можно ли предсказать, какие процессы протекают самопроизвольно?



Согласно принципу Бертло – Томсена самопроизвольны экзотермические реакции, т.е.

  • Согласно принципу Бертло – Томсена самопроизвольны экзотермические реакции, т.е.

  • А + В → АВ при ΔΗ < 0

  • А + В → С + D при ΔΗ < 0

  • Установлено, что для 95% всех н/о реакций принцип соблюдается, однако для 5% реакций существует обратная зависимость:

  • NH4NO3 = NH4+ aq+ NO3_aq ΔΗ⃗ > 0

  • N2O4 = 2NO2 ΔΗ⃗ > 0

  • CaCO3 = CaO + CO2 ΔΗ⃗ > 0

  • Следовательно, самопроизвольно могут происходить и эндотермические процессы, если в результате их система переходит в более разупорядоченное состояние.

  • Итак, ΔΗ – не единственный фактор, определяющий самопроизвольность процесса.



Примеры

  • Предмет скатывается по наклонной плоскости, пока стремление к уменьшению потенциальной энергии не компенсируется потерей тепловой энергии трения

  • Электровоз превращает электрическую энергию в механическую энергию движения, а последнее имеет место, пока не компенсируется полностью тепловая энергия трения (тормоза)

  • Двигатель автомобиля превращает химическую энергию топлива (бензин, гептан, водород) в механическую энергию движения, а последнее имеет место, пока не компенсируется энергия трения (увеличение молекулярного беспорядка нагреваемых при трении поверхностей автомобиля и дорожного полотна)



В физико-химической системе процесс совершается самопроизвольно, пока изменение энтальпии не компенсируется изменением степени беспорядка в системе. Итак, в любой системе реализуются две конкурирующих друг с другом тенденции – стремление к уменьшению энергосодержания (энтальпии) и стремление к увеличению беспорядка.

  • Примеры:

  • растворение CuSO4 · 5H2O в воде

  • самозагрязнение ОЧ веществ при Т > 0ºK

  • смешение газов N2 + O2

  • 2H2O = 2H2 + O2 (ΔΗ > 0, но реакция при высоких температурах идет самопроизвольно из-за увеличения беспорядка)

  • C + H2O = CO2 + H2 (ΔΗ > 0, но реакция идет, т.к. ей сопутствует увеличение беспорядка в системе)



Самопроизвольность перехода из упорядоченного состояния в разупорядоченное связано со стремлением системы перейти в более вероятное состояние (в изолированной системе – определяющим фактором является стремление к разупорядоченному состоянию)

  • Самопроизвольность перехода из упорядоченного состояния в разупорядоченное связано со стремлением системы перейти в более вероятное состояние (в изолированной системе – определяющим фактором является стремление к разупорядоченному состоянию)

  • Ячейка из 2-х подячеек и одного шара (молекулы)

  • рлев = рправ = ½

  • В ячейке с двумя частицами – 4 способа размещения

  • А вероятность любого из них равен ¼ ≡ (½)2

  • Если в ячейке 5 частиц, то рлΣ5 = (½)5 = 1/32



Если в ячейке 5 частиц, то рлΣ5 = (½)5 = 1/32

  • Если в ячейке 5 частиц, то рлΣ5 = (½)5 = 1/32

  • Состояние 1 Состояние 2

  • (степень беспорядка)2 ≫ (степень беспорядка)1

  • (вероятность)2 ≫ (вероятность)1

  • Самопроизвольность перехода к более вероятному состоянию (беспорядок)

  • (½)NHe = (½)NNe , NHe = NNe ≈ 1023



В 1 моле содержится 1023 молекул. Вероятность того, что одноименные молекулы соберутся в одной подячейке равна (½)23, а вероятность однородного распределения разноименных молекул, напротив, исключительно велика и ничтожно мало отличается от 1.

  • В 1 моле содержится 1023 молекул. Вероятность того, что одноименные молекулы соберутся в одной подячейке равна (½)23, а вероятность однородного распределения разноименных молекул, напротив, исключительно велика и ничтожно мало отличается от 1.

  • Если система состоит из большого числа частиц, то ее любому макросостоянию, определяемому Т, р, массой, химическим составом, отвечает огромному числу микросостояний, определяемых поведением отдельных частиц этого сомножества

  • Число микросостояний, через которое реализуется данное макросостояние, называют термодинамической вероятностью этого состояния

  • Логарифм вероятности макросостояния системы получил название энтропии (преобразование, греч. Клазиус, 1854 г.)

  • Согласно формуле Больцмана энтропия

  • Дж/К · моль ≡ э.е

  • .



Энтропия («вероятностное определение»)



Энтропия веществ, отнесенная к стандартным условиям (температура 298,15 К и давление 101325 Па) называется стандартной энтропией Sº298

  • Энтропия веществ, отнесенная к стандартным условиям (температура 298,15 К и давление 101325 Па) называется стандартной энтропией Sº298

  • Таблицы значений Sº298 для различных веществ можно найти в учебниках и справочниках

  • Нас интересует не только абсолютное значение энтропии индивидуальных веществ, но и изменение энтропии реакций

  • Для реакции

  • ½C(графит) + ½CO2(г) = СО(г)

  • ½·5¸74 ½·213¸68 197¸54 Дж/К · моль

  • Δ Sº298 = 197,54 - ½(5,74 + 213,68) = 87,8 Дж/К · моль

  • Для реакции

  • 3/2 H2 + ½ N2 = NH3(г)

  • Δ Sº298 = - 103,1 Дж/К · моль, т.к. ΔU < 0

  • Для реакции

  • Al(кр) + Sb(кр) = AlSb(кр)

  • Δ Sº298 = - 5 Дж/К · моль



Следует различать абсолютное значение энтропии соединения (Sº298) и энтропию образования соединения из простых веществ (Sºf,298)

  • Следует различать абсолютное значение энтропии соединения (Sº298) и энтропию образования соединения из простых веществ (Sºf,298)

  • Для реакции А + В = АВ

  • Δ Sºf,298 = SºАВ – (SºА + SºВ)

  • (отсутствие аналогии с энтальпией)



Возрастание энтропии как меры беспорядка в веществе

  • При плавлении, испарении, возгонке

  • S0298(J2(тв.)) = 117 Дж/моль * К, S0298(J2(г)) = 260.6 Дж/моль * К

  • При растворении твердых или жидких веществ

  • S0298(NaCl(тв.)) = 72.4 Дж/моль * К, S0298(NaCl(р-р)) = 115.4 Дж/моль * К

  • При усложнении химического состава/ «сложности»

  • MnO→Mn3O2→Mn3O4: 61.5→110.5→154.8 Дж/моль*К

  • Увеличение количества газообразных веществ в реакции

  • CaCO3 (тв.) → СaO (тв.) + СO2 (г), ΔrS0 = S0(CO2(г)) + S0(CaO(тв.)) - S0(CaCO3(тв.)) =

  • = 231.5 +40.14 – 23.59 = 248.05 Дж/моль * К

  • При образовании дефектов и загрязнении кристаллов

  • NaCl(тв.) + Na (г.): F - центры

  • При образовании «рыхлых» кристаллических структур

  • алмаз → графит

  • При аморфизации кристаллических веществ

  • Sкр → Sаморфн

  • При нагревании веществ

  • S01000 – S0298 (TiO2) = 82.4 Дж/моль * К



Дефектообразование



Энтропия в изолированной системе

  • 1 э.е. = кал/(моль · К) ∼ 4.18 Дж/(моль · К)

  • При любых процессах, протекающих в термодинамических изолированных системах, энтропия либо остается неизменной, либо увеличивается.



Закон возрастания энтропии



Открытые системы

  • Ячейки Беннара



Реакция БЖ



Похожие:

Лекция №2 Направление процессов в физико-химических системах (часть 1) Физико-химической iconЛекция №2 Направление процессов в физико-химических системах (часть 1) Физико-химической
Согласно I началу термодинамики ΔU = q a (закон сохранения энергии А. Лавуазье, М. Ломоносов)
Лекция №2 Направление процессов в физико-химических системах (часть 1) Физико-химической iconБактериальная инфекция
Хроническое полиэтиологическое воспалительное заболевание желчного пузыря, которое сочетается с моторно-тоническими нарушениями (дискинезиями)...
Лекция №2 Направление процессов в физико-химических системах (часть 1) Физико-химической iconОпыт применения потокоотклоняющих технологий на месторождениях западной сибири
Результаты внедрения физико химических технологий на нефтяных месторождениях западной сибири
Лекция №2 Направление процессов в физико-химических системах (часть 1) Физико-химической iconЛекция 6: Машинная эволюция
Некоторые замечания относительно использования га. Автоматизированный синтез физических принципов действия. Фонд физико-технических...
Лекция №2 Направление процессов в физико-химических системах (часть 1) Физико-химической iconНижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского Научно-исследовательский физико-технический институт ннгу

Лекция №2 Направление процессов в физико-химических системах (часть 1) Физико-химической iconМоделирование систем
Кафедра «Автоматика и управление в технических системах» направление 220200 Автоматизация и управление специальность 220201 Управление...
Лекция №2 Направление процессов в физико-химических системах (часть 1) Физико-химической iconМоделирование систем
Кафедра «Автоматика и управление в технических системах» направление 220200 Автоматизация и управление специальность 220201 Управление...
Лекция №2 Направление процессов в физико-химических системах (часть 1) Физико-химической iconОсновные принципы исторической геологии и их типизация Историческая геология
Восстановление физико-географических условий земной поверхности геологического прошлого
Лекция №2 Направление процессов в физико-химических системах (часть 1) Физико-химической iconОбразование : высшее. В 1984 году закончила физико-математический факультет Чувашского государственного педагогического института им. И. Я. Яковлева, очное Образование
Образование : высшее. В 1984 году закончила физико-математический факультет Чувашского государственного педагогического института...
Лекция №2 Направление процессов в физико-химических системах (часть 1) Физико-химической iconОсадочные породы На поверхности Земли в результате действия различных экзогенных факторов образуются осадки, которые в дальнейшем уплотняются, претерпевают различные физико-химические изменения диагенез, и превращаются в осадочные горные породы.
На поверхности Земли в результате действия различных экзогенных факторов образуются осадки, которые в дальнейшем уплотняются, претерпевают...
Разместите кнопку на своём сайте:
hnu.docdat.com


База данных защищена авторским правом ©hnu.docdat.com 2012
обратиться к администрации
hnu.docdat.com
Главная страница