Đang tải... (xem toàn văn)
Chương I: CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT Ở NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC HOÁ HỌC. I. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản 1. Một số khái niệm. 1.1. Hệ và sự phân loại: 1.2. Thông số và trạng thái của hệ 1.3. Các biến đổi của một hệ: 2. Năng lượng 3. Nhiệt dung (C) 1. Trong trường hợp không có công W’ a. Quá trình đẳng tích b. Quá trình đẳng áp 2. Trong trường hợp có công W’ c. Quan hệ giữa ∆H và ∆U trong một phản ứng hóa học a. Liên hệ CP và CV b. Định luật Gay luytxac – Jun: nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào thể tích hoặc áp suất. Nên ta có: c. Biểu thức của nguyên lý thứ nhất với khí lý tưởng III. Công và nhiệt của một số quá trình đơn giản – thuận nghịch nhiệt động của khí lý tưởng VII. Sự phụ thuộc của hiệu nhiệt phản ứng vào nhiệt độ - Định luật Kiecsop (Kirchhof) Chương II: PHÂN DẠNG BÀI TẬP NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC HOÁ HỌC. I. Dạng bài tập tính nhiệt, công, ∆U, ∆H của các quá trình 1. Dạng bài tập với các quá trình biến đổi thuận nghịch nhiệt động học. 2. Dạng bài tập với các quá trình biến đổi bất thuận nghịch nhiệt động học. II. Dạng bài tập tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng dựa vào các giá trị năng lượng liên quan đến phản ứng III. Dạng bài tập tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng dựa vào chu trình Born – Harber và định luật Hess. IV. Dạng bài tập tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng dựa vào thực nghiệm bom nhiệt lượng kế. V. Dạng bài tập về công có ích của phản ứng hoá học (liên quan đến pin điện). VI. Dạng bài tập tính nhiệt độ ngọn lửa trong phản ứng đốt cháy
Hội thảo trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016 MỤC LỤC Trang PHẦN I - MỞ ĐẦU I Lí chọn đề tài II Mục đích đề tài: III Nhiệm vụ đề tài: PHẦN II - NỘI DUNG Chương I: CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT Ở NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC HOÁ HỌC I Một số khái niệm đại lượng Một số khái niệm 4 1.1 Hệ phân loại: 1.2 Thông số trạng thái hệ 1.3 Các biến đổi hệ: Năng lượng Nhiệt dung (C) Trong trường hợp khơng có cơng W’ 10 a Q trình đẳng tích 10 b Q trình đẳng áp 10 Trong trường hợp có cơng W’ 11 c Quan hệ ∆H ∆U phản ứng hóa học 13 a Liên hệ CP CV 13 b Định luật Gay luytxac – Jun: nội khí lý tưởng phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào thể tích áp suất Nên ta có: 13 c Biểu thức nguyên lý thứ với khí lý tưởng 13 Hội thảo trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016 III Công nhiệt số trình đơn giản – thuận nghịch nhiệt động khí lý tưởng 14 VII Sự phụ thuộc hiệu nhiệt phản ứng vào nhiệt độ - Định luật Kiecsop (Kirchhof) 20 Chương II: PHÂN DẠNG BÀI TẬP NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC HOÁ HỌC 22 I Dạng tập tính nhiệt, cơng, ∆U, ∆H trình 22 Dạng tập với trình biến đổi thuận nghịch nhiệt động học 22 Dạng tập với trình biến đổi bất thuận nghịch nhiệt động học 24 II Dạng tập tính hiệu ứng nhiệt phản ứng dựa vào giá trị lượng liên quan đến phản ứng 29 III Dạng tập tính hiệu ứng nhiệt phản ứng dựa vào chu trình Born – Harber định luật Hess 38 IV Dạng tập tính hiệu ứng nhiệt phản ứng dựa vào thực nghiệm bom nhiệt lượng kế 42 V Dạng tập cơng có ích phản ứng hoá học (liên quan đến pin điện) 45 VI Dạng tập tính nhiệt độ lửa phản ứng đốt cháy 52 PHẦN III - KẾT LUẬN 54 Kết thu chuyên đề 54 Đề xuất ý kiến với việc dạy học chuyên đề nhiệt động lực học 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 Hội thảo trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016 PHẦN I - MỞ ĐẦU I Lí chọn đề tài Như biết hóa lý hố học lý thuyết ngành phát triển giới Việt Nam Việc nghiên cứu nhiệt động lực học hướng nghiên cứu có nhiều thử thách Nắm vấn đề lý thuyết chất trình giúp việc nghiên cứu vấn đề Hoá lý trở nên dễ dàng Nhiệt động lực học lĩnh vực quan trọng Hố lý, vừa lại vừa khó ngày xuất nhiều kì thi quốc gia quốc tế Vấn đề nhiệt động lực học hoá học phổ thông chưa đề cập nhiều lý thuyết hệ thống tập Hệ thống tập áp dụng dùng cho học sinh chuyên bồi dưỡng học sinh giỏi Quốc gia, Quốc tế chưa đề cập nhiều Hiện nội dung nguyên lý thứ nhiệt động lực học đưa vào tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi, nhiên xuất mức độ sơ lược Hệ thống dạng tập chưa đa dạng, phong phú, gây khó khăn cho học sinh việc nắm vững kiến thức lý thuyết giải tập Chính lý nên chọn đề tài: “ Nguyên lý thứ nhiệt động lực học bồi dưỡng học sinh giỏi quốc gia ” II Mục đích đề tài: Khái quát hoá lại vấn đề lý thuyết nguyên lý I, xây dựng hệ thống tập, phân loại chúng cách đơn giản phục vụ cho bồi dưỡng học sinh giỏi Quốc gia, Quốc tế III Nhiệm vụ đề tài: 1- Nghiên cứu lí thuyết nguyên lý I nhiệt động lực học chương trình hóa lý hóa lý thuyết đại học, khoa Hoá Đại học Sư phạm Hà Nội tìm hiểu nội dung giảng dạy hố lý nói chung trường Chuyên Hội thảo trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016 2- Thống kê, phân loại tập tài liệu giáo khoa, sách tập cho sinh viên, học viên cao học tài liệu tham khảo có nội dung liên quan đến nguyên lý I nhiệt động lực học Xây dựng đáp án tập có kèm theo dẫn dắt đánh giá để có đáp án Từ xây dựng tiêu chí, cấu trúc tập cho nhóm học sinh đội tuyển dự thi học sinh giỏi Quốc gia 3- Phân tích nội dung nhiệt động lực học đề thi Olympic Quốc gia nước Olympic Quốc tế để thấy mức độ yêu cầu vận dụng sở lí thuyết ngày cao đề thi, từ đặt nhiệm vụ cho giáo viên phải có khả tự bồi dưỡng nâng cao trình độ, để trang bị kiến thức bản, nâng cao cần thiết cho em mà phải biết dạy cách học, dạy chất vấn đề, giúp học sinh học có hiệu Hội thảo trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016 PHẦN II - NỘI DUNG NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA Chương I: CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT Ở NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC HOÁ HỌC I Một số khái niệm đại lượng Một số khái niệm 1.1 Hệ phân loại: a) Hệ vĩ mô: Nhiệt động lực học nghiên cứu hệ vĩ mô gồm số lớn tiểu phân (ví dụ ml khí hệ vĩ mơ gồm hàng triệu triệu phân tử khí) Tập hợp nhiều hệ vĩ mơ hệ nghiên cứu b) Hệ nhiệt động (hệ): phần nghiên cứu (nằm vũ trụ) có gianh giới ngăn cách với mơi trường ngồi c) Hệ mở: hệ trao dổi với mơi trường ngồi chất lượng: ví dụ siêu nước sơi d) Hệ kín: hệ trao đổi lượng với mơi trường ngồi: ví dụ bình kín xảy phản ứng NaOH H2SO4 e) Hệ cô lập: hệ không trao đổi lượng chất với mơi trường ngồi: ví dụ phản ứng xảy bình cách nhiệt hồn tồn (Bình Dewar) f) Hệ đồng thể hệ hồn tồn khơng có bề mặt phân chia, mà thuộc tính khơng thay đổi thay đổi từ điểm đến điểm g) Hệ dị thể: có bề mặt phân chia hệ h) Pha: tập hợp phần đồng thể giống hệ hợp thành pha Hội thảo trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016 1.2 Thông số trạng thái hệ a Trạng thái hệ nhiệt động xác định tập hợp đại lượng vĩ mô đo như: nhiệt độ, thể tích, áp suất, khối lượng… gọi thông số trạng thái b Thông số cường độ: thông số trạng thái không phụ thuộc vào lượng chất hệ: nhiệt độ, độ nhớt, chiết suất, nồng độ, áp suất…Các thông số cường độ khơng có tính cộng tính c Thơng số khuếch độ: thông số trạng thái tỷ lệ với lượng chất hệ: khối lượng, thể tích, số mol… Đối với hệ đồng thơng số khuếch độ có tính cơng tính d Trạng thái dừng: trạng thái thơng số hệ khơng đổi theo thời gian Trạng thái dừng mà khơng có thơng số dừng bị biến đổi tác động bên ngồi, hệ trạng thái cân nhiệt động Một hệ cô lập, không tương tác với bên ngồi chưa đạt trạng thái cân sớm hay muộn đạt tới trạng thái cân bằng, tự khơng khỏi trạng thái 1.3 Các biến đổi hệ: a Biết đổi thuận nghịch biến đổi mà trạng thái trung gian hệ trải qua xem trạng thái cân Hay trình từ 1-> thuận nghịch, thực trình ngược 2-> qua trạng thái trung gian lần đi, cho hệ trở trạng thái đầu khơng tồn biến đổi hệ mơi trường xung quanh Ngược lại biến đổi bất thuận nghịch Tất q trình có ma sát bất thuận nghịch, có phần cơng ngồi mơi trường dạng nhiệt (trong thực tế sống hầu hết biến đổi hệ biến đổi bât thuận nghịch) b Biến đổi đoạn nhiệt biến đổi diễn điều kiện khơng trao đổi nhiệt với mơi trường bên ngồi c Biến đổi đẳng áp: biến đổi diễn điều kiện áp suất) không đổi d Biến đổi đẳng nhiệt: biến đổi diễn điều kiện nhiệt độ không đổi Hội thảo trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016 e Biến đổi đẳng tích: biến đổi diễn điều kiện thể tích khơng đổi f Biến đổi đoạn nhiệt – phương trình Poisson Trong giãn đoạn nhiệt hay nén đoạn nhiệt khí lý tưởng, tham số p, V, T thay đổi đồng thời Do khơng thể áp dụng phương trình trạng thái để tính biến thiên đồng thời p,V,T Nên phải sử dụng điều kiện đoạn nhiệt δQ= (Biến đổi đoạn nhiệt biến đổi mà hệ không trao đổi nhiệt với môi trường ngồi nên Q=0) Phương trình Poisson: Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng vào phương trình Poisson ta được: p.V = const 1.4 Hàm trạng thái: hàm thông số trạng thái mà giá trị hàm phụ thuộc vào thông số trạng thái, mà không phụ thuộc vào biến đổi hệ trải qua trước - Nói chung tất tham số trạng thái hệ hàm trạng thái - Trong chu trình, biến thiên tham số trạng thái - Có đại lượng hàm trạng thái hệ: nhiệt lượng Q công A hệ Nó khơng phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối hệ, mà phụ thuộc vào cách tiến hành trình - Quy ước dùng kí hiệu để lượng vơ nhỏ đại lượng hàm trạng thái hệ: Q; A - Quy ước dung kí hiệu vi phân d cho biến thiên vô nhỏ tham số hàm trạng thái Ví dụ dT, dP, dV, dU, dH,… Năng lượng - Năng lượng đại lượng đo độ vận động vật chất, biến đổi từ dạng sang dạng khác Hội thảo trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016 - Đơn vị: J, kJ, cal, kcal, eV, MeV… Trong 1cal = 4,18J; 1eV = 1,602.10 -19J; 1l.atm = 101,33J - Định luật bảo tồn chuyển hố lượng ln áp dụng - Một q trình giải phóng lượng, lượng có dấu âm “-“ ngược lại 2.1 Công (A hay W) nhiệt (Q) KN: hình thức trao đổi lượng hệ mơi trường Nếu cơng nhiệt giải phóng có giá trị âm ngược lại Chú ý: Công nhiệt hàm trạng thái, mà hàm q trình, phụ thuộc vào cách thức tiến hành Ví dụ: cơng giãn nở Nếu thay đổi bất thuận nghịch P số nên: Wbtn = -P(V2-V1) Nếu thay đổi thuận nghịch áp suất hệ số mà phụ thuộc vào nhiệt độ thể tích nên: Ví dụ: công điện nguyên tố Ganvani: A = G = -nEF cơng có ích 2.2 Nội (U): hệ phần lượng ứng với vận động bên hệ - Hàm nội hàm trạng thái - Ví dụ hệ pha (khí, lỏng tinh thể), nội hệ bao gồm: Động chuyển động phân tử hệ: gồm động tịnh tiến động quay, phân tử hệ Năng lượng tương tác phân tử Năng lượng dao động nguyên tử nhóm nguyên tử chứa phân tử Năng lượng mức e điền nguyên tử Hội thảo trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016 Năng lượng dự trữ hạt nhân nguyên tử… Tóm lại, bao gồm tất dạng lượng hệ, trừ động chuyển động toàn hệ vị trí hệ khơng gian quy định - Không đo nội hệ, đo biến thiên nội hệ U = W + Q - Nội hệ lập bảo tồn Nhiệt dung (C) a Khái niệm: nhiệt lượng để tăng nhiệt độ hệ lên độ C (độ K) Đơn vị: J/K… b Nhiệt dung riêng: nhiệt dung quy lượng chất Đơn vị: J/Mol.K; J/gam.K… c Nhiệt dung đẳng áp (CP): nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ hệ lên độ điều kiện đẳng áp CP= QP/dT d Nhiệt dung đẳng tích (C V): nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ hệ lên độ điều kiện đẳng tích CV= QV/dT e Sự phụ thuộc nhiệt dung vào nhiệt độ: Nhiệt dung chất rắn thay đổi theo nhiệt độ thường rõ rệt chất lỏng chất khí Nó gần 00K Nhiệt dung chất thể lỏng thường lớn nhiệt dung chất thể rắn khí Ví dụ với H2O có Trạng thái Rắn CP(cal/mol.K) 9,1 Lỏng Khí 18,1 7,8 Để biểu diễn phụ thuộc nhiệt dung vào nhiệt độ người ta thường dùng công thức nội suy: công thức kinh nghiệm rút từ kết đo, tài liệu tính tốn Các cơng thức sử dụng khoảng nhiệt độ rộng (từ 273K đến vài nghìn K) Hội thảo trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016 Hay gặp công thức sau: CP= a+ b.T+ c.T2+ … CP= a+ b.T+ c.T-2 Chú ý: a khơng phải nhiệt dung O 0K giới hạn cuối nhiệt dung gần khoảng 2730K Với khí lý tưởng đơn nguyên tử như: khí trơ, kim loại, khoảng nhiệt đô xét khơng q lớn C V, CP khí lý tưởng không phụ thuộc vào nhiệt độ II Nguyên lí I nhiệt động lực học: Nội dung nguyên lý I - Đây nguyên lý rút từ kinh nghiệm lồi người, phát biểu nguyên lý theo nhiều cách khác Lấy cách khởi điểm suy cách khác - Khi hệ kín thực chu trình, tổng đại số cơng W nhiệt Q mà hệ trao đổi với môi trường - Hay tồn động vĩnh cửu loại 1: loại động chuyển động vĩnh viễn, mà không cần phải cung cấp cho lượng tương ứng từ bên ngồi B A Năng lượng mà hệ trao đổi với mơi trường ngồi trường hợp là: W1 + Q1 W2 + Q2 W3 + Q3 Áp dụng ngun lí I vào chu trình 13 2-3 ta được: W1 + Q1+ W3 + Q3 = W2 + Q2+ W3 + Q3 = 10