Изохорный и изобарный тепловые эффекты химических реакций и связь между ними
Тепловой эффект химической реакции (ТЭХР) рассматривается только для закрытых ТС при отсутствии работ и при фиксации двух параметров: T,V=const и T,p=const. При этих условиях мы фактически задаем состояние ТС, если система является равновесной.
Для простой, закрытой ТС уравнение 1-го закона термодинамики имеет вид:
, при Т,V=const: , (1)
, при Т,р=const: . (2)
Тепловой эффект ХР – это максимальная теплота процесса, выделяемая или поглощаемая ТС при T,V=const и Т,р=const и отнесенная к пробегу ХР, т.е.:
, [Дж/моль], (3)
, [Дж/моль], (4)
где QV – изохорный тепловой эффект ХР; Qp - изобарный тепловой эффект ХР; - пробег ХР. QV и Qp – функции состояния, т.е. они характеризуют термодинамическое состояние химически реагирующей ТС.
Таким образом, изохорный QV и изобарный Qp ТЭХР выражаются через изменение внутренней энергии и энтальпии соответственно и определяются только начальными и конечными состояниями ТС.
Тепловые эффекты ХР не зависят от промежуточных химических состояний, через которые проходит ТС (закон Гесса, 1840г.).
В соответствии с законом Гесса сумма тепловых эффектов промежуточных ХР есть величина постоянная, равная тепловому эффекту сложной реакции независимо от последовательности протекания реакций. Закон Гесса позволяет косвенным путем аналитически вычислить тепловые эффекты ХР, в том числе и таких, которые не поддаются эксперименту.
Для ТС, где протекает одна химическая реакция, внутренняя энергия и энтальпия определяются выражениями:
, (5)
, (6)
где , Дж/моль, молярные величины внутренней энергии и энтальпии i-го вещества при стандартном состоянии (р0=1 физ.атм); , моль, количество i-го вещества.
Соотношения (5) и (6) справедливы как для идеальных, так и для реальных газов и растворов. Для идеальных термодинамических систем величины являются функциями только температуры. Тогда получим связи:
, (7)
. (8)
После подстановки выражений (7) и (8) в формулы (3) и (4) и дифференцирования по пробегу ХР получим формулы для расчета изохорного и изобарного ТЭХР:
, Дж/моль, (9)
, Дж/моль (10)
По формулам (9) и (10) определяется тепловой эффект образования вещества. Тепловой эффект сгорания (теплота сгорания) равен теплоте образования с обратным знаком:
, (11)
. (12)
Рассмотрим пример: для ХР: 2Н2О-2Н2-О2=0. Изобарный ТЭХР равен: , Дж/моль, т.е. из двух молекул Н2 и одной молекулы О2 образуется две молекулы воды. Если число элементарных реакций равно NA=6,022·1023, то суммарная теплота этих реакций является тепловым эффектом. Таким образом, моль – это набор из пяти частиц (2Н2, О2, 2Н2О) умноженный на число Авагадро.
Если зависят и от температуры и от состава ТС, то получим выражения:
, (13)
. (14)
Связь между изобарным и изохорным ТЭХР получим следующим образом. Запишем для 1 моля идеального газа выражение для энтальпии:
.
Тогда для смеси идеальных газов имеем:
, (15)
где ; .
После подстановки Qp и QV в выражение (15) имеем:
. (16)
Эта связь между Qp и QV для смеси идеальныхгазов получена, пренебрегая объемами жидких и твердых реагентов.
Зависимость определяется видом ХР:
- если то Qp > QV
- если то Qp = QV
- если то Qp < QV.
Для конденсированных веществ (растворов) .
Дата добавления: 2015-06-12; просмотров: 2841;