05_Лекция

Основные понятия химической термодинамики. Первый
закон термодинамики. Термохимия. Второй закон
термодинамики. Направление химических процессов
Одкрытые
Закрытые
Изолированные
Виды энергии
Виды механического движения
а
б
[энергия]=[работа]=Дж или кДж
в
Энергия
Механическая форма
Кинетическая энергия
Потенциальная
энергия
Еда и дистанция
Внутренняяя энергия U:
ΔU=Uкінц-Uпоч.
Есть два способы передачи энергии от или до системы:
1. передача теплоти
2. виконання роботи.
Теплота обозначается Q.
Q=mcΔT,
Зміна температури при
ендотермічних процесах
Зміна температури при
екзотермічних процесах
Работа
А=pΔV,
Внутренняя энергия (U)
U  Eп  Ек
(1)
0
Еп – суммарная потенциальная энергия взаимодействия молекул
Ек – суммарная кинетическая энергия движения молекул
Для идеального газа:
Ек  Е N
3
Е  kT
2
N   N А
Еп = 0
3
U  Ек  Е N  kT    N А
2
k  NА  R
3
3
U  RT  pV
2
2
Работа в термодинамике
 
A  F  S  cosα
1) Изохорный процесс (V=const)

A  F  0  cosα
A0
 
Работа в термодинамике A  F  S  cos α
2) Изобарный процесс ( р 
F
 const )
S*
S  h2  h1
F  рS *
A  рS* (h2  h1)  рV

 S
F
h2
h1
A  рV2  pV1 RT2 RT1
A  рV RT
p
Работа в термодинамике численно
равна площади фигуры под графиком
процесса в координатах р(V)!
p
0
1
V
2
р
V1
V2 V
Работа в термодинамике
Какую работу совершил газ при переходе из состояния 1 в состояние 2?
р,атм
2
1
6 10 3 м 3
2
Работа газа в термодинамике
численно равна площади фигуры под
графиком процесса в координатах
р(V)!
2 10 5 Па
1
0
2
4
6
8 V,л
А  6 10  2 10  1200 Дж
3
5
Работа в термодинамике
Какую работу совершил газ при переходах: 1 → 2, 2 → 3, 3 → 4, 4 → 1.
Найти работу газа за цикл.
р,атм
3
1
0
2
6 10 3 м 3
А12  0 А3 4  0
3
5
А23  6 10  3 10  1800 Дж
3
5
А41   6 10 1 10   600 Дж
3
5 5
2 3
1010
Па
Па
А
5  1800  600  1200 Дж
110 Па
4
1
2
4
 6 10 3 м 3
6
8 V,л
3
А  6 10  2 10  1200 Дж
5
Работа газа за цикл численно равна площади фигуры внутри
цикла процесса в координатах р(V)!
Работа в термодинамике
Идеальный газ расширяется по закону р=V. Найти работу,
совершенную газом при увеличении объема от V1 до V2.
Работа газа в термодинамике численно равна площади фигуры
под графиком процесса в координатах р(V)!
p2
p
А
2
V2
1
p1
V1
0
V1
(V2  V1 )
V2 V
V2  V1
 (V2  V1 )
2
 (V2  V1 )
А
 (V2  V1 )
2
А

2
 (V 2  V1 )
2
2
Работа в термодинамике
В каком из переходов газ совершил наибольшую работу?
Ответ обосновать.
2p
p
p 2
1
3
2p
2T
2
3
4
p
4
T
T
p
1
V
0
V
2V
4V
А34  А23  А41  А12
Газ находится в вертикальном цилиндре с площадью основания 0,01 м2 при
температуре 27°С. На расстоянии 0,8 м от дна цилиндра находится поршень
массой 20 кг. Атмосферное давление нормальное. Какую работу совершит газ
при его нагревании до 37 °С?
Дано:
м2
S=0,01
t1= 270C
t2= 370C
h1=0,8м
mп=20кг
р0=105Па
А?

10
А
5
р  const
pV1
T
А  RT 

 S
F
h2
h1
Т1
pV  RT
mп g
p  р0 
S
pV1
R 
Т1
V1  Sh1
mп g 

 р0 
 Sh1

р0 S  mп g h1
S 

T
А
T 
Т1
Т1

 0,01  20 10  0,8
10  32 Дж
300
Ответ: 32 Дж
Первый закон термодинамики


F
F
в
неш
ΔU
 
A  F  S  cosα
Q  U  A
A   Авнеш
Q
Q  U  Aвнеш
Первый закон термодинамики запрещает
вечный двигатель первого рода
Деревянный
барабан
Одноатомный газ сначала изобарически расширился в четыре раза, а затем в
результате изохорического нагревания его давление возросло в три раза.
Начальное давление газа 100 кПа, его конечный объём 12 л. Нарисовать
графики процессов, протекающих с газом, в координатах (р,V), (р,Т) и (V,Т).
Найти работу, совершённую газом, и изменение его внутренней энергии.
р,кПа
р,кПа
3
300
100
0
1
3
2
12 V,л
3
300
100 1
2
0 T 4T
T
12T
12
3
V,л 2
3
1
0 T 4T
T
12T
3
3 3

100

10
Па

9

10
м  900 Дж
А  100кПа  9 л
3
3
U  pV
U  ( p3V3  p1V1 )
2
2
3
U  (3600  300)  4950 Дж
2
Идеальный газ при изобарном нагревании и изотермическом расширении
получил 16 кДж тепла. При этом его внутренняя энергия увеличилась на 6 кДж.
Нарисовать графики процессов с газом в координатах (р, V) и (V,Т).
Какую работу совершил газ при изотермическом расширении?
Дано:
Q=16 кДж
ΔU= 6 кДж
А23  ?
1 2
V
р
р1
1
2
 U 2 3  0
3
р2
V
0
V1
V2
3
U12  U  RT
2
2
А12  RT  U
3
5
Q12  А12  U12  U
3
V3
V3
3
V2
2
V1
1
0
T1
T
T2
23
Q23  А23  Q  Q12
5
А23  Q  U
3
56
 6кДж
А23  16 
3
Ответ: 6 кДж.
Одноатомный газ расширяется сначала изобарно, а затем изотермически.
Работа, совершаемая газом при расширении, равна 800 Дж. В процессе
изотермического расширения газ получил 300 Дж тепла. Найти изменение
внутренней энергии газа.
Дано:
A=800 кДж
Q23  300 Дж
ΔU- ?
1 2
23
р
р1
1
2
Q23  А23  U 23
3
р2
V
0
V1
V2
V3
U 2 3  0
Q23  А23
U  U12
А12  А  А23  500 Дж
А12  RT
U  U12
3
3
 RT  А  750 Дж
2
2
Ответ: 750 Дж.
Одноатомный газ, занимающий объём 2 л при давлении 100 кПа, нагревают
сначала при постоянном давлении, а затем при постоянном объёме. При этом
газ совершает работу 100 Дж, а его температура возрастает вдвое. Какое
количество тепла сообщили газу при нагревании? Нарисовать графики
процесса нагревания газа в координата (р, V) и (р,Т). Ответ: 400 Дж.
Дано:
V=2 л
A=100 Дж
T3=2T1
Q13  ?
р
р
3
p3
p1
1
p1
2
1
3
p3
2
T
V
0
V1
V2
0
T1
T2
T3=2T1
Нагреватель Тн
КПД тепловых машин
Qн
А Qн  Qх


Qн
Qн
Рабочее тело
(Газ)
Qх
Холодильник Тх
А
Qх
  1
Qн
p
3
U  pV
2
Qн
2
3p
p
3
4
1
0
V
Qх
4V V
T
1→2

2→3

3→4

4→1

pV
= const
р
V
T
p
 const T = const
V
= const

const
T
p
 const T = const
V
const 
= const
T
Q  A  U
Qн  Q13
Qн  A13  U13
ΔU
Q
0
>0
>0
Н
>0
>0 >0
Н
0
<0
<0
Х
<0 <0
<0
Х
A
Контакт
Работа в термодинамике
Какую работу совершил газ при переходах: 1 → 2, 2 → 3, 3 → 4, 4 → 1.
Найти работу газа за цикл.
р,атм
3
1
0
2
6 10 3 м 3
А12  0 А3 4  0
3
5
А23  6 10  3 10  1800 Дж
3
5
А41  6 10 1 10  600 Дж
3
5 5
2 3
1010
Па
Па
А
5  1800  600  1200 Дж
110 Па
4
1
2
4
 6 10 3 м 3
6
8 V,л
3
А  6 10  2 10  1200 Дж
5
Работа газа за цикл численно равна площади фигуры внутри
цикла процесса в координатах р(V)!
p
3p
2
3V
3
23рр
p
0
1
V
4
V
4V
А  2 р  3V  6 pV
А13  3 р  3V  9 pV
3
U  pV
2
3
U13  ( p3V3  p1V1 )
2
3
U13  (3 p  4V  pV )
2
33
U 13 
pV  16,5 pV
2
Qн  A13  U13
Qн  9 рV  16,5 рV 25,5 рV
А
6 рV
 0,235
 
Qн 25,5 рV
Ответ: =23,5%
p
2
1
0
p
3
2
3
1
4
V
4
0
V
4
T
3
1
2
0
T
А Qн  Qх


Qн
Qн
Нагреватель Тн
Qн
Рабочее тело
(Газ)
Qх
Холодильник Тх
А
Для ИТМ
А Тн  Т х


Qн
Тн
Реактивный двигатель на твердом топливе
Прямоточный реактивный двигатель
поток
воздуха
Энтальпийная диаграмма
Тепловой эфект расстворения
1 моль H2SO4+1 моль Н2О
ΔНрозч,289 =-28,07 кДж;
1 моль H2SO4+100 моль Н2О
ΔНрозч,298 =-73,39 кДж;
1 моль H2SO4+1000 моль Н2О ΔНрозч,298 =-86,32 кДж;
Н-д СаО(г) + СО2(г) = СаСО3(к)
ΔНf298=-177,88 кДж/моль, ΔS298=-160,48 Дж/град·моль,
ΔG298=-177,88-(298·(-0,16048))= -130,22 кДж/моль
Н-д СаСО3(к)=СаО(к)+СО2(г)
ΔНf298=177,88 кДж/моль, ΔS298=160,48 Дж/град·моль,
ΔG1500=177,88-(1500·(0,16048))= 62,84 кДж/моль