Термодинаміка і теплові процеси зварювання

Предмет:

Тип роботи:

Курс лекцій

К-сть сторінок:

Мова:

Українська

Оцінка:

реакції концентрація вихідних речовин зменшується, а концентрація продуктів реакції зростає. Кожному стану реакції системи відповідає певне значення концентрації речовин, які входять до складу системи, тому концентрація є додатковим параметром стану системи, і для повної характеристики системи потрібно знати не два параметри стану системи, а три. У цьому випадку в процесах зміни реагуючої системи можуть залишатись незмінними два параметри стану – об’єм і температура або тиск і температура. Саме такі системи вивчаються в хімічній термодинаміці, причому в першому випадку реакція ізохорно-ізотермічною в другому – ізобарно-ізотермічною. При цьому слід відмітити, що реакція супроводжується зміною температури реагуючої системи. Для проведення термодинамічного аналізу допускається, що вся теплота, яка виділяється відводиться безпосередньо в момент виділення, якщо реакція екзотермічна, і підводиться до системи, якщо реакція ендотермічна. Таким чином, реальні процеси замінюють ідеалізованими термічними схемами, що не суперечать положенням хімічної термодинаміки. При проходженні хімічної реакції може виконуватись робота, не пов’язана із зміною об’єму, так звана корисна робота реакції.

До хімічних реакцій може бути використано перший закон термодинаміки:

де - втрата внутрішньої енергії з врахуванням хімічної складової;

- теплота, яка виділяється в процесі;

- робота зміни об’єму;

- корисна робота реакції.

Таким чином тепло, яке виділяється при реакції, і виконання роботи відбувається за рахунок втрати внутрішньої енергії системи. При цьому теплота екзотермічної реакції додатна, а ендотермічної – від’ємна.

Якщо реакція за сталої температури відбувається таким чином, що ніяка робота, крім роботи зміни об’єму не виконується (тобто = 0), то тепло, яке виділяється під час реакції буде максимальним, тоді:

де - тепловий ефект реакції.

Таким чином, тепловий ефект хімічної реакції – кількість теплоти, яка виділяється або поглинається за сталої температури, за умови, що корисна робота дорівнює нулю. Тепловий ефект ізохорної реакції позначається . Із рівняння (3. 1) випливає, що . Таким чином, тепловий ефект ізохорної реакції дорівнює зміні внутрішньої енергії.

Тепловий ефект ізобарної реакції також можна знайти із рівняння першого закону термодинаміки:

де – робота зміни об’єму.

Із рівняння (3. 2) знаходимо

Тобто тепловий ефект ізобарної реакції дорівнює втраті ентальпії.

Вважаємо, що сумарне число кіломолей газоподібних речовин, які вступають в ізобарно-ізотермічну реакцію n1, а число кіломолей газоподібних продуктів реакції n2. Якщо вважати, що вихідні речовини і продукти реакції ідеальні гази, тоді

З цих рівнянь отримуємо

Таким чином, якщо реакція супроводжується збільшенням числа кіломолей, то тепловий ефект за сталого тиску буде меншим, ніж за сталого об’єму ( ). А в тому випадку коли в результаті реакції зменшується число кіломолей, У тому випадку, коли число кіломолей залишається незмінним ( ).

Отримані співвідношення між і можуть бути використані і в тому випадку, коли в реакції беруть участь тверді і рідкі речовини. У цьому випадку при знаходженні враховують тільки речовини, які перебувають у газоподібному стані.

1.3.2. Закон Гесса і його наслідки

Внаслідок того, що внутрішня енергія і ентальпія є функціями стану, тепловий ефект реакції при сталому об’ємі не залежить від термодинамічного шляху процесу, а визначається лише початковим і кінцевим станом системи. Цю закономірність встановив у 1840 р. Гесс Г. І., який сформулював основний закон термохімії:

Тепловий ефект реакції залежить лише від початкового та кінцевого стану системи і не залежить від шляху, по якому протікає реакція. Із закону Гесса випливають наслідки:

Тепловий ефект утворення складної речовини чисельно дорівнює тепловому ефекту її розкладання.

Якщо із двох різних початкових речовин досягається один і той самий кінцевий результат, то різниця теплових ефектів обох реакцій дорівнює тепловому ефекту переходу із одного початкового стану в другий.

Якщо із одного і того ж початкового стану досягається двох різних кінцевих сигналів, то різниця теплових ефектів цих реакцій дорівнює тепловому ефекту переходу із одного кінцевого стану в інший.

Тепловий ефект хімічної реакції дорівнює різниці між сумою теплот утворення продуктів і сумою теплот утворення вихідних речовин з врахуванням стехіометричних коефіцієнтів речовини в рівнянні реакції:

Тепловий ефект хімічної реакції дорівнює різниці між сумою теплот згорання продуктів реакції і сумою теплот згорання продуктів реакції з врахуванням стехіометричних коефіцієнтів речовин у рівнянні реакції:

Закон Гесса і наслідки з нього дають змогу обчислити тепловий ефект реакцій на основі табличних даних про теплоти утворення неорганічних речовин і теплоти згоряння органічних сполук за сталих умов. Внаслідок того, що розрахунки в хімії виконують для ізобарних процесів, можна скористатись табличним значенням

Для простих речовин

Приклад 1. Визначити теплоту згоряння етилену

Розв’язок. Скористаємось двома методами: 1-й метод. Комбінуючи задані термодинамічні рівняння встановимо водень і вуглець. З цією метою рівняння (б) множимо на 2 і віднімаємо із нього рівняння (а) :

Отриманий результат почленно додамо до рівняння (в), попередньо помножимо на 2

2-й метод. Використовуючи третій наслідок Гесса, внаслідок того, що всі приведені в умові задач теплові ефекти є теплотами утворення етилену, діоксину вуглецю і води із простих речовин

Теплоти утворення простих речовин водню і кисню