Лекция №5-8. Раздел 2 Химическая термодинамика

Первый закон термодинамики – это закон сохранения и превращения энергии. Закон является всеобщим и приложим к любым процессам, в том числе и к химическим реакциям и фазовым превращениям.

Q = U + A,

где Q – теплота,

U – изменение внутренней энергии

A – работа

Если реакция протекает при постоянных Т и Р, то

Qp = H,

где, H = U + PV – энтальпия системы

H – изменение энтальпии

H = U + PV

Если в результате реакций тепло выделяется, то тепловой эффект Н< 0 (реакция экзотермическая), при поглощении тепла Н> 0 (реакция эндотермическая).

U = Q – A

Работа – это передача энергии под действием силы, направленной от источника работы к ее приемнику, сопровождается изменением движения взаимодействующих тел.

A = F∙ l

где, l – расстояние, на которое перемещается тело.

При изотермическом сжатии газа работа равна:

A = RT∙ ln( )

При изотермическом расширении газа:

При изохорном процессе:

Теплота – это передача энергии под действием разности температур взаимодействующих тел.

Теплота положительна, если она сообщается окружающей средой систем, теплота отрицательна, если она сообщается системой окружающей среде.

Теплоемкость –теплота процесса в результате которого температура системы изменяется на 1К.

[Дж/К]

[Дж/кг∙К]

[Дж/моль∙К]

[Дж/м³∙К]

Зависимость между теплоемкостями:

С_m=C_y∙M ;

С_об=С_у∙ρ ;

= ;

C=mC=nC_m=VC_об

Теплоемкость при P=const

C=∑C_i

Пример 1.

Давление азота, находящегося в сосуде объемом 3л, после нагревания возросло на Р=2,2МПа. Определить количество теплоты, сообщенной газу. Удельная теплоемкость азота при V=const, C_у=745Дж/кг∙К.

Решение.

;

Q= mCу∙(T₂-T₁); Дж

Пример 2.

Определить расход воды на закалку 200кг газа, если его температура понижается от 840^˚С до 20^˚С, а температура закалочной среды повышается от 20^˚С до 100^˚С. Теплоемкость воды равна 4,18 Дж/кг∙К, теплоемкость газа 3,5 КДж/кг∙К.

Решение.

Q_прих=Cy_газа∙m_газа∙(Т₂-Т₁)

Q_расх=Сy_воды∙m_воды∙(Т_2-Т₁)

Су_газа∙m_газа∙(Т₂-Т₁)=Су_воды∙m_воды∙(Т₂-Т₁)

кг

Термохимия

Основным законом термохимии является закон Гесса, согласно которому тепловой эффект реакции при постоянном давлении и объеме не зависит от пути реакции, а зависит лишь от конечного и начального состояния системы.

При стандартной температуре,

[КДж], n – количество вещества

[КДж]

[Дж/К]

Второй закон термодинамики устанавливает возможность протекания реакции и предел их протекания.

При протекании процессов происходит изменение функции состояния системы, называемой энтропией или количественной мерой беспорядка в системе.

- энтропия

[Дж/моль∙К]

Энтропия для определения температуры:

[Дж/К]

Т.к металлургические процессы чаще всего протекают при постоянном давлении, то их возможность определяют по изобарно-изотермическому потенциалу – энергии Гибба, обозначается – G.

[КДж]

[КДж]

Таблица 1- Самопроизвольность протекания реакций

Важнейшая область применения 2-го закона термодинамики – анализ действия устройств для преобразования и передачи энергии: тепловых машин, холодильных установок, нагревателей, термообменников.

Основной характеристикой таких устройств является коэффициент полезного действия (КПД).

Тепловая машина – это устройство, способное постоянно трансформировать теплоту в работу.

Для постоянного производства работы тепловой машине необходимо иметь по крайне мери два источника теплоты с различными температурами.

Постоянное преобразование теплоты в работу возможно лишь при наличии не менее двух источников теплоты с различными температурами, которые позволили бы осуществить соответствующие тепловые потоки: Q₁ – от нагревателя к тепловой машине и Q₂ – от тепловой машины к холодильнику. Только при таком условии возможно действие тепловой машины.

Рабочим называется тело, используемое в тепловой машине для преобразования энергии и передачи ее от одних узлов машины к другим.

Рабочее тело (воздух) в тепловой машине при производстве ею работы совершает круговой процесс, состояние газа в цилиндре изменяется периодически, приобретая через равные промежутки исходное значение. При этом рабочее тело постоянно периодически принимает от нагревателя теплоту q₁, совершает работу и сообщает оставшуюся часть полученной теплоты q₂ холодильнику.

Теплота, полученная тепловой машиной от нагревателя, расходуется на теплоту, сообщенную машиной холодильнику, и работу, совершенною машиной

q₁₌ q₂+W или W=q₁-q₂

«Возникновение движущей силы в паровых машинах обязано не действительной трате теплорода, а его переходу от горячего тепла к холодильнику» и далее:

«… повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы»