Show khoa học thực nghiệm gắn liền với cuộc sống,luôn song hành với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và đời sống xã hội. Trong những năm nửa cuối thế kỷ XX, khoa học và kĩ thuật phát triển với tốc độ chưa từng thấy. Nhờ các thành tựu của vật lý, toán học hiện đại, hoá học đã tiến một bước rất xa: không dừng lại ở sự mô tả mà đi sâu vào giải thích và trong một chừng mực nào đó tiên đoán. Cấu trúc cổ truyền của hoá học đã thay đổi. Hoá học lượng tử, nhiệt động hoá học và động hoá học là ba phương pháp nghiên cứu cơ bản của hoá học hiện đại, ngày càng được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả trong hoá học vô cơ, hữu cơ, phân tích Bạn đang xem: Bài tập tính độ biến thiên entropy Xem thêm: Cách Xoá Dòng Chữ Màu Vàng Trong Proshow Producer, Cách Xóa Dòng Chữ Vàng Trong Proshow Producer Bạn đang xem trước 20 trang mẫu tài liệu Đề tài Bài tập về nguyên lý thứ hai của nhiệt động hoá học, để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trênNHIỆT ĐỘNG HỌC VÀO HOÁ HỌC Bài 11: (Olympic hoá học Italya 1999) Ở 293K phản ứng sau đây tự xảy ra: NH3 (k) + HCl(k) = NH4Cl(k) + Q Ta có thể nói rằng: 1. Khả năng này là do entropy. 2. Phản ứng tự xảy ra ở mọi nhiệt độ. 3. Khả năng này là do entanpy. 4. Entropy và entanpy cùng dấu. Đáp án: Câu d. Bài 12: (Olympic hoá học Italya 1999) Khi hơi ngưng tụ ta luôn luôn có: 1. Giảm entropy của hệ và tăng entropy của môi trường. 2. Tăng entropy của hệ và giảm entropy của môi trường. 3. Giảm entropy của hệ và của môi trường. 4. Entropy của hệ và của môi trường đều không đổi. Đáp án: Câu a. Bài 13: (Olympic hoá học Italya 1999) Có 3 phân tử CH3Cl(k), CH3OH(k), CH4(k) ở P = 101325 Pa. Thứ tự tăng entropy mol chuẩn là: 1. So(CH4) 0 chứng tỏ sự rỉ sắt là một quá trình tự xảy ra ở điều kiện thường về nhiệt độ và áp suất. Bài 21: (Lâm Ngọc Thiềm - Trần Hiệp Hải - Nguyễn Thị Thu, “Bài tập hoá lý cơ sở”, nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội - 2003) 0,35 mol khí lý tưởng ở 15,60C được giãn nở từ 1,2 đến 7,4 lít. Tính Q, A, GSHU ,,, đối với quá trình trên thực hiện: 1. Đẳng nhiệt thuận nghịch. 2. Đẳng nhiệt không thuận nghịch chống áp suất ngoài bằng 1 atm. Bài giải: 1. Đẳng nhiệt thuận nghịch: T = 15,6 + 273 = 288,6 K dU = nCvdT dH = nCpdT Mà T = const nên 0 HU AdUQ . Mà dU = 0 nên 72,15272,14,7ln.6,288.314,8.35,0ln12 VVnRTAQT (J) Tiểu luận “Bài tập về nguyên lý thứ hai của nhiệt động hoá học” Học viên Trương Thị Mỹ Đức, cao học Hoá khoá 18, chuyên ngành Hoá phân tích 18 TATAdUTQdS 29,52,14,7ln.314,8.35,0ln.12 VVnRTAS (J/mol.K) 69,152629,5.6,2880 STHG (J) 2. Đẳng nhiệt không thuận nghịch chống áp suất ngoài bằng 1 atm: Tương tự ta có H = U = 0 QT = A = Pngoài .V = 1.(7,4 – 1,2).101,39 = 628,62 (J) S = 5,29 (J/mol.K) G = - 1526,69 (J) Bài 22: (Trích từ đề thi Olympic hoá học quốc tế 2001) 3,00 mol CO2 giãn nở đẳng nhiệt (nhiệt độ của môi trường là 15oC) chống lại áp suất bên ngoài ổn định ở p = 1,00bar. Thể tích đầu và thể tích cuối tương ứng là 10,0 L và 30,0 L. 1. Chọn thông tin đúng về biến thiên entropy của qúa trình giãn nở (∆Ssys) và môi trường (∆Ssur). a) ∆Ssys > 0; ∆Ssur = 0. b) ∆Ssys 0. c) ∆Ssys > 0; ∆Ssur Trong nhiệt động lực học, entropy nhiệt động lực (hay gọi đơn giản là entropy) ký hiệu là
S
{\displaystyle S}
Đơn vị (hệ SI): J/K Rudolf Clausius - Cha đẻ của khái niệm entropy. Lịch sử của entropy bắt đầu với công trình của nhà toán học người Pháp Lazare Carnot, quyển Các nguyên lý cơ bản của cân bằng và chuyển động (1803). Trong tác phẩm này, ông đã đề xuất nguyên lý cho rằng tất cả những sự gia tốc và va chạm của các phần đang chuyển động trong mọi cơ cấu đều có hiện diện của những hao tổn về "moment hoạt động". Nói cách khác, trong bất kỳ một quá trình tự nhiên nào đều tồn tại một xu hướng cố hữu của sự tiêu tán năng lượng hữu ích. Dựa trên công trình này, năm 1824 con trai của Lazare là Sadi Carnot đã xuất bản cuốn Những suy ngẫm về năng lượng phát động của lửa. Trong đó, ông nêu ra quan điểm rằng trong mọi động cơ nhiệt, mỗi khi calo, mà ngày nay gọi là nhiệt, "rơi" do một sự sai khác nhiệt độ, thì công hay năng lượng phát động có thể được sinh ra từ những tác dụng của "sự rơi calo" giữa một vật nóng và một vật lạnh. Đây là những nhận thức ban đầu về nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học. Carnot đã xây dựng quan điểm về nhiệt của mình một phần dựa vào "Giả thuyết Newton" (đầu thế kỉ 18). Giả thuyết này cho rằng cả nhiệt và ánh sáng là những loại khác nhau của những dạng vật chất không thể phá hủy, bị hút và đẩy bởi những vật chất khác. Ông cũng dựa vào quan niệm của Count Rumford, người đã chỉ ra rằng nhiệt có thể được sinh ra do ma sát như khi các nòng đại bác nã đạn. Do đó, Carnot đã suy luận rằng nếu một vật thể chứa vật chất sinh công, chẳng hạn như một vật chứa hơi nước, được đưa lại điều kiện ban đầu của nó (nhiệt độ và áp suất) ở cuối của một chu trình máy, thì "không có thay đổi nào trong trạng thái của vật sinh công." Chú thích này sau đó được thêm vào như là những chú thích nhỏ ở cuối trang trong quyển sách của ông, và chính nó đã dẫn đến sự phát triển của khái niệm entropy. Trong thập niên 1850 và 1860, nhà vật lý người Đức Rudolf Clausius đã phản đối mạnh mẽ giả thuyết trên của Carnot. Clausius cho rằng phải có sự thay đổi trạng thái của vật sinh công và đưa ra cách giải thích toán học cho sự thay đổi đó, bằng cách nghiên cứu bản chất của sự tự hao tổn nhiệt hữu ích khi thực hiện công, chẳng hạn như khi nhiệt được sinh ra do ma sát. Đây là điều trái ngược với các quan điểm trước đó, dựa vào lý thuyết của Newton, rằng nhiệt là hạt bền vững có khối lượng. Sau đó, các nhà khoa học như Ludwig Boltzmann, Willard Gibbs, và James Clerk Maxwell đã chỉ ra cơ sở thống kê của entropy; Carathéodory đã kết hợp entropy với một định nghĩa toán học của sự bất thuận nghịch. Khó khăn trong việc đưa ra một định nghĩa chính xác về entropy của một hệ chính là việc entropy không có tính bảo toàn. Đại lượng này có thể tăng một cách đột ngột trong một quá trình không thuận nghịch. Thật vậy, theo định luật hai nhiệt động lực học, entropy của một hệ cô lập không thể giảm, mà chỉ có thể tăng hoặc giữ nguyên giá trị trong trường hợp quá trình biến đổi là thuận nghịch. Những biến đổi mang tính thuận nghịchMột sự biến đổi mang tính thuận nghịch trong nhiệt động học khi nó mang tính 'gần cân bằng' và không gây ra ma sát dẫn đến sự thoát nhiệt nào. Trong những điều kiện như trên, sự biến đổi của hệ có thể coi như cấu thành từ một loạt các trạng thái cân bằng liên tiếp. Nếu chúng ta đảo ngược những điều kiện của môi trường bên ngoài - yếu tố ảnh hưởng đến sự biến đổi của hệ, ta sẽ quay ngược lại trạng thái ban đầu qua những trạng thái cân bằng y hệt như trên nhưng theo thứ tự ngược lại. Sở dĩ có điều này là vì không có hiện tượng thất thoát (nhiệt, vật chất..) Vì thế, ta có thể mô phỏng được sự biến đổi của hệ và mô tả chính xác trạng thái cân bằng của hệ ở từng thời điểm. Những biến đổi mang tính không thuận nghịchNhững sự biến đổi trong thực tế thường là những biến đổi không thuận nghịch do luôn có sự thất thoát, và mất trong nhiều môi trường khác nhau. Do đó mà hệ không bao giờ trở về một cách tức thời về trạng thái ngay trước đó. Năng lượng bị mất của hệ dưới dạng nhiệt lượng sẽ đóng góp vào sự gia tăng của sự 'hỗn loạn' chung. Mà sự 'hỗn loạn' lại được đo bằng hàm trạng thái entropy, ký hiệu là S được giới thiệu thông qua định luật thứ hai của nhiệt động học. Trong trường hợp biến đổi là lý tưởng (thuận nghịch), không có sự tạo ra entropy: Những đồng xu có thể trao đổiNhiệt động học cổ điển định nghĩa entropy như một đại lượng mang 'tính cộng được', điều này có nghĩa là chúng ta có thể thu được entropy của hệ bằng cách cộng toàn bộ entropy thành phần (ngược lại, nhiệt độ không mang 'tính cộng được' vì nhiệt độ của hệ không bằng tổng nhiệt độ các thành phần) Kết quả thu được từ bất đẳng thức Clausius về công năng thực hiện bởi hệỞ nhiệt độ T, xét một biến đổi của hệ từ trạng thái nhiệt động học ban đầu, ký hiệu là A đến trạng thái cân bằng cuối cùng, ký hiệu là B.
Δ
S
hệ
=
S
(
B
)
−
S
(
A
)
>
Q
không thuận nghịch
T
{\displaystyle \Delta S_{\text{hệ}}=S(B)-S(A)>{\frac {Q_{\text{không thuận nghịch}}}{T}}}
Δ
U
hệ
=
U
(
B
)
−
U
(
A
)
=
W
thuận nghịch
+
Q
thuận nghịch
=
W
không thuận nghịch
+
Q
không thuận nghịch
{\displaystyle \Delta U_{\text{hệ}}=U(B)-U(A)=W_{\text{thuận nghịch}}+Q_{\text{thuận nghịch}}=W_{\text{không thuận nghịch}}+Q_{\text{không thuận nghịch}}}
Thuyết động học của các khí Tổng năng lượng của tất cả các hạt trong một hệ được gọi là nội năng U của hệ. Một hệ là cô lập, nghĩa là không có sự trao đổi năng lượng cũng như vật chất với môi trường ngoài. Trạng thái vĩ mô của hệ được xác định bằng thể tích V và nội năng U. Tuy nhiên, các hạt có thể được sắp xếp trong cũng một thể tích bằng nhiều cách khác nhau; tương tự như vậy, nội năng cũng có thể được phân bố trên các hạt theo nhiều phương cách khác nhau. Mỗi cách đặt các phân tử vào một thể tích và phân bổ nội năng cho các phân tử đó được gọi là một 'cấu hình vi mô' của trạng thái vĩ mô xác định bởi thể tích V và nội năng U. Số hạt trong một hệ vĩ mô là rất lớn (cỡ 1023), số lượng cấu hình vi mô Ω(U, V) cũng rất lớn. Chúng ta định nghĩa entropy S (hàm số của U và V) như sau: Đẳng thức này được đưa ra bởi Ludwig Boltzmann vào những năm 1870 khi mà khái niệm về trạng thái vi mô còn khá trừu tượng vì kiến thức về nguyên tử và các tính chất lượng tử của chúng còn chưa được hiểu thấu đáo. Boltzman đã bị chế nhạo khá nhiều bởi nhiều nhà khoa học đương thời và điều này được coi là nguyên nhân chính dẫn đến việc tự sát của ông. Ngày nay, ông được coi là cha đẻ của nhiệt động học thống kê. Mộ của ông ở Viên có khắc công thức về nguồn gốc của entropy. Vào những năm đầu thập kỉ 1850, Rudolf Clausius đã đưa ra khái niệm về năng lượng phân hủy. Đặc biệt hơn, ông đã đưa ra tiếp khái niệm về hệ nhiệt động học và đã tạo nên một cuộc tranh luận gắt gao về vấn đề rằng trong bất ki một quá trình phản ứng một chiều nào thì một phần nhỏ năng lượng dQ cũng sẽ thoát ra ngoài hệ. Năm 1876, kĩ sư hóa học Willard Gibbs, dựa trên những nghiên cứu của Clausius và Hermann von Helmholtz, đã đưa ra cách nhìn mới về năng lượng tự do Gibbs, trong nhiệt động học sử dụng giá trị T.ΔS để chỉ phần năng lượng mất đi của hệ ΔH. Những khái niệm về nhiệt động học tiếp tục được phát triển bởi James Clerk Maxwell (1871) và Max Planck [1903].
|