Задача для контрольных работ icon

Задача для контрольных работ




НазваЗадача для контрольных работ
Сторінка3/9
Дата25.10.2012
Розмір2.07 Mb.
ТипЗадача
1   2   3   4   5   6   7   8   9

^ 1.1.5. Задачи для контрольных работ, домашних заданий и самостоятельной работы

1. Атомные теплоёмкости железа, никеля, марганца и углерода при 298К соответственно равны 25,0; 26,1; 26,3 и 8,54 Дж/моль∙К. Определите удельную теплоёмкость стали, содержащей 0,6% углерода, 25% никеля и 5% марганца, приняв, что теплоёмкость стали является аддитивной функцией состава.

2. Рассчитайте среднюю удельную изохорную теплоёмкость водорода в интервале температур от 300 до 1200К. Коэффициенты уравнения возьмите из таблицы 1.3.

3. Найдите значение средней мольной теплоёмкости водорода при постоянном давлении в интервале температур от 300 до 500 К. Коэффициенты уравнения возьмите из таблицы 1.3.

4. Среднее значение мольной теплоёмкости метана при постоянном объёме выражается уравнением

.

Найдите значение истинной мольной изобарной теплоёмкости метана при 600 К.

5. Рассчитайте количество тепла, необходимого для нагревания 40м3 газа от 300 до 600 К. Состав газа: азота – 65%; кислорода – 30%; углекислого газа – 5%. Коэффициенты уравнения для газов возьмите из таблицы 1.3.

6. Определите среднюю мольную теплоёмкость углекислого газа при постоянном объёме в интервале температур от 300 до 1000К. Коэффициенты уравнения возьмите из таблицы 1.3.

7. Определите работу, необходимую для изотермического сжатия 2 кг водорода при температуре 298К от давления 1,013∙105 Па до 1,013∙106 Па.

8. Определите работу адиабатического расширения 5молей водорода от 20 до 200 литров. Начальная температура газа 300К. Мольная изобарная теплоёмкость водорода равна 28,83 Дж/моль∙К.

9. Рассчитайте изменение внутренней энергии системы при испарении 14,4кг воды, имеющей температуру 300 К. Теплота испарения воды равна 40842 Дж/моль. Объёмом жидкости по сравнению с объёмом пара пренебречь.

10. 100 литров углекислого газа находятся при температуре 298 К и давлении 1,013∙105 Па. После нагревания газ, расширяясь при постоянном давлении, занял объём равный 2м3. Определите теплоту и работу процесса, если средняя мольная изохорная теплоёмкость газа равна 29,0 Дж/моль∙К.

11. Рассчитайте изменение внутренней энергии и энтальпии при нагревании от 300 до 500 К системы, состоящей из 2 молей водорода и 3 молей азота. Коэффициенты уравнения теплоёмкости как функции температуры для газов возьмите в таблице 1.3.

12. Рассчитайте изменение внутренней энергии системы при испарении 3,6 кг воды при 300К. Теплота испарения воды равна 40842 Дж/моль. Объёмом жидкости по сравнению с объёмом пара пренебречь.

13. Найдите количество тепла, необходимого для плавления 8 кг железа, имеющего температуру 298К. Температура плавления железа 1812К, теплота плавления 15500 Дж/моль. Коэффициенты уравнения возьмите из таблицы 1.3.

14. Вычислите количество тепла, необходимого для нагревания смеси веществ от 300 до 500 К. Смесь имеет состав: 40% и 60% (по массе). Коэффициенты уравнения для веществ возьмите из таблицы 1.3.

15. Найдите количество тепла, уносимого 10м3 дымового газа, имеющего температуру 500К при давлении 1,013∙105 Па, если температура окружающей среды 300 К. Состав дымового газа (по объёму) , , , . Коэффициенты уравнения для каждого газа возьмите из таблицы 1.3.

16. Рассчитайте количество тепла, необходимого для плавления 1кг алюминия, имеющего температуру 298К. Температура плавления алюминия 931,5 К. Теплота плавления 387 Дж/г. Коэффициенты уравнения возьмите из таблицы 1.3.

17. Определите работу расширения 2,58 кг воздуха при нагревании от 273 до 576 К при давлении 1,013 ∙ 105 Па. Плотность воздуха 1,29 кг/м3.

18. В резервуаре ёмкостью 2 м3 при 300 К и давлении 0,5∙105 Па содержится метан. Рассчитайте, какое количество тепла необходимо сообщить газу, чтобы его давление стало равным 2∙105 Па. Коэффициенты уравнения СР=f(T) возьмите из таблицы 1.3.

19. Найдите изменение внутренней энергии системы, если газ, расширяясь при давлении 1,013∙105 Па от 5 до 25 литров, поглощает 1000 Дж тепла.

20. Вычислите работу сжатия и конечное давление 28 кг азота, взятого при давлении 1,013∙105 Па и сжимающегося изотермически при Т = 400 К до объёма 6,56 м3.

21. 30 м3 газа сжимают адиабатически от 1,013∙105 Па до 2,279∙105 Па. Определите работу сжатия и конечный объём газа, если γ = 2.

22. Смешали 2 г водорода и 16 г кислорода. Их удельные изобарные теплоёмкости равны 14,3 и 0,91 Дж/г∙К соответственно. Рассчитайте потерю тепла при охлаждении смеси на 500 при постоянном объёме.

23. 20 м3 газа сжимают изотермически при Т = 298 К от 1,013∙105 Па до 1,013∙106 Па. Найдите работу сжатия и конечный объём газа.

24. При 300 К газ изотермически расширяется от 2 до 10 м3, поглощая 4,014∙105Дж тепла. Вычислите число молей газа, участвующих в реакции.

25. Определите работу испарения 1,8кг воды при нормальной температуре кипения. Объёмом жидкости по сравнению с объёмом пара пренебречь.

26. Вычислите количество тепла, необходимого для нагревания 100 кг FeO от 300 до 1000 К. Коэффициенты уравнения СР=f(T) возьмите из таблицы 1.3.

27. Рассчитайте изменение внутренней энергии системы при испарении 7,2 кг воды при 300 К. Теплота испарения воды равна 40842 Дж/моль. Объёмом жидкости по сравнению с объёмом пара пренебречь.

28. Найдите количество тепла, необходимого для плавления 11,2 кг железа, имеющего температуру 300 К. Температура плавления железа 1812 К, теплота плавления 15500 Дж/моль. Коэффициенты уравнения возьмите из таблицы 1.3.

29. Вычислите работу сжатия и конечное давление 14 кг азота, взятого при давлении 1,013∙105 Па, и сжимающегося изотермически при Т = 350 К до объёма 3,28 м3.

30. Определите работу адиабатического расширения 10 молей кислорода от 20 до100 литров. Начальная температура газа 300 К. Средняя мольная изобарная теплоёмкость кислорода равна 29,37 Дж/моль∙К.


^ 1.2. Термохимия. Тепловой эффект реакций

Тепловой эффект реакции – это изменение энтальпии () или внутренней энергии () химической системы, рассчитанное на стехиометрические количества реагирующих веществ.

Различают изобарный - (при ) и изохорный - (при ) тепловые эффекты.

Если - реакция экзотермическая, т.е. система теряет энергию. Если - реакция эндотермическая, т.е. система поглощает энергию из внешней среды.

Стандартный тепловой эффект реакции – это тепловой эффект реакции при условии и , величина справочная. Размерность - .

Термохимия базируется на двух законах: Гесса и Кирхгофа.

Закон Гесса

Тепловой эффект реакции не зависит от пути процесса, а зависит от начального и конечного состояния системы.

Закон Гесса справедлив при условии, что давление или объём системы при процессе остаются постоянными. При этом система не производит ни какой работы, кроме работы расширения.

Исходя из закона Гесса стандартный тепловой эффект реакции можно рассчитать по уравнению

, (1.36)

где , - соответственно стандартные тепловые эффекты образования продуктов и исходных веществ реакции, кДж/моль;

- стехиометрические коэффициенты участников взаимодействия в уравнении реакции.

Закон Кирхгофа

Истинный температурный коэффициент изобарного теплового эффекта равен изменению мольной изобарной теплоёмкости веществ в ходе реакции.

Для изобарного процесса математическое выражение закона Кирхгофа имеет вид

, (1.37)

для изохорного процесса

. (1.38)

Закон Кирхгофа позволяет рассчитать тепловой эффект реакции при высоких температурах. Уравнение для расчета теплового эффекта реакции по температурному ряду имеет вид (1.39)

где ;

;

;

;

, , и - изменение коэффициентов температурного участников реакции.

Расчет теплового эффекта по значениям теплосодержаний можно сделать по уравнению

, (1.40)

где и - соответственно изменение теплосодержаний веществ при 298 и температуре Т, кДж/моль.

;

.

^ 1.3. Второй закон термодинамики. Энтропия

Второй закон термодинамики позволяет решить вопрос о возможности протекания процесса, его направленности в данных условиях, выбрать оптимальные условия, при которых процесс будет протекать в нужном направлении с максимальным выходом продуктов.

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики, равноценных по своей сути.

1. Тепло не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему.

  1. Процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты в работу, невозможен.

3. Любая форма энергии может полностью преобразовываться в теплоту, но теплота преобразуется в другие виды энергии лишь частично.

4. Невозможно создать вечный двигатель II рода, то есть машину, которая превращала бы все подведенное тепло в работу.

О направлении самопроизвольных процессов в адиабатных и изолированных системах можно судить по изменению энтропии.

Энтропия – функция состояния системы, полный дифференциал которой () при элементарном равновесном процессе равен отношению бесконечно малого количества тепла () к абсолютной температуре (Т) системы.

. (1.41)

Энтропия равновесной системы максимальна. С ростом температуры энтропия системы возрастает, при фазовых превращениях изменяется скачкообразно.

, (1.42)

где - тепловой эффект фазового превращения, кДж/моль; - температура фазового превращения, К.

При абсолютном нуле энтропия любого кристаллического тела равна нулю. (Постулат Планка).

Если , энтропия возрастает, в изолированных и адиабатных системах процесс проходит самопроизвольно. Если , энтропия убывает, в таких системах процесс не проходит самопроизвольно.

При стандартных условиях изменение энтропии рассчитывается по уравнению

, (1.43)

где и - соответственно энтропия исходных веществ и продуктов реакции, Дж/моль∙К; - стехиометрические коэффициенты участников взаимодействия в уравнении реакции.

^ 1.4. Термодинамические потенциалы

Термодинамический потенциал – это функция состояния системы, убыль которой в результате процесса равна максимальной полезной работе этого процесса при условии постоянства определенной пары параметров.

Различают изохорно – изотермический потенциал () и изобарно – изотермический потенциал, называемый энергией Гиббса (). По изменению этих потенциалов можно определить направление процесса в реальных системах и установить наличие химического сродства между реагирующими веществами.

Химическое сродство – это условное название способности веществ вступать в химическую реакцию друг с другом. Если , то процесс в реальной системе протекает самопроизвольно, между веществами есть химическое сродство. Если , то процесс в данных условиях самопроизвольно не протекает, химическое сродство между веществами отсутствует.

Химическое сродство при стандартных условиях рассчитывается по уравнению

, (1.44)

где и - соответственно стандартные изобарно – изотермические потенциалы образования исходных веществ и продуктов реакции, кДж/моль; - стехиометрические коэффициенты участников взаимодействия в уравнении реакции.

Уравнение Гиббса – Гельмгольца показывает влияние температуры и энтропии на величину термодинамических потенциалов.

, (1.45)

где - тепловой эффект химической реакции при данной температуре, Дж; - изменение энтропии химической реакции при данной температуре, Дж/К.

Химическое сродство при любой температуре рассчитывается по уравнению Темкина – Шварцмана

, (1.46)

где - стандартный тепловой эффект данной химической реакции, Дж; - стандартное изменение энтропии химической реакции, Дж/К; Т - температура, при которой рассчитывается изобарно – изотермический потенциал, К; - температурные коэффициенты, которые не зависят от природы реагирующих веществ, а зависят только от температуры процесса (приводятся в таблицах).

^ 1.5. Химическое равновесие. Константа равновесия

При постоянной температуре произведение концентраций продуктов реакции в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам в уравнении химической реакции, отнесенное к произведению концентраций исходных веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции, есть величина постоянная и называется термодинамической константой равновесия.

, . (1.47)

Если , равновесие химической реакции смещено в сторону продуктов реакции, выход продуктов стремится к 100%. Если , равновесие смещено в сторону исходных веществ, выход продуктов стремится к нулю. Значение константы равновесия, близкое к единице, указывает на значительную обратимость процесса при данной температуре. Выход продуктов составляет 40 – 60 %.

Сместить равновесие реакции в нужном направлении с целью увеличения выхода продуктов можно путем изменения внешних условий: температуры, давления, концентрации веществ. Принцип смещения равновесия сформулировал Ле-Шателье.

Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий, определяющих состояние равновесия, то в системе усилится тот процесс, течение которого ослабляет воздействие, и положение равновесия сместится в том же направлении.

Влияние температуры на смещение равновесия зависит от знака теплового эффекта реакции. Если , то повышение температуры смещает равновесие вправо, в сторону образования продуктов. Если , то повышение температуры смещает равновесие влево, в сторону исходных веществ.

Повышение давления всегда смещает равновесие в сторону меньшего числа молей газообразных веществ, то есть в сторону меньшего объёма.

Увеличение концентрации исходных веществ смещает равновесие в сторону образования продуктов.

Влияние температуры на константу равновесия показывает уравнение изобары – изохоры

, (1.48)

где - константа равновесия реакции, выраженная через парциальные давления; - тепловой эффект реакции; - универсальная газовая постоянная; Т – температура.

Константу равновесия при любой температуре можно рассчитать по уравнению

, (1.49)

где - изобарный потенциал реакции при температуре Т.

Можно рассчитать константу равновесия также и по уравнению Темкина – Шварцмана

. (1.50)

^ 1.6. Решение типовой задачи

Задача 1. Пользуясь данными таблиц 1.1, 1.2 и 1.3, для реакции



вычислите тепловой эффект, стандартное химическое сродство и константу равновесия реакции при стандартных условиях и температуре 800 К. По полученным результатам расчетов определите термохимические особенности реакции, направление протекания процесса, глубину превращения (выход продуктов) в стандартных и заданных условиях. Укажите, как следует изменить температуру и давление, чтобы увеличить выход продуктов реакции.

Решение. Для заданной реакции из таблиц 1.1, 1.2 и 1.3 выпишим необходимые для расчета величины термодинамических свойств участников реакции

Вещество

, кДж/моль


Дж/моль∙К

Коэффициенты .

,



















-162,00

42,63

43,83

16,77

-5,88

-134,26



-110,53

197,55

28,41

4,10

-0,46

-137,15



0

33,14

22,64

6,28

0

0



-393,51

213,66

44,14

9,04

-8,54

-394,37

; ; .

Для расчета стандартного теплового эффекта реакции используем уравнение (1.36)

,

.

, реакция экзотермическая, идет с выделением тепла.

Расчет теплового эффекта реакции при температуре 800 К проводим по уравнению (1.39)

.

Для проведения расчетов предварительно необходимо вычислить изменение коэффициентов в ходе химической реакции:

;

.

;

)= - 5,55∙



.



, реакция экзотермическая, идет с выделением тепла. При этом , следовательно, с повышением температуры увеличивается количество выделяемой реакцией энергии.

Вычислим изменение энтропии в ходе химической реакции по уравнению (1.43)

,

.

Так как , то энтропия системы возрастает, следовательно, в изолированных и адиабатических системах реакция идёт самопроизвольно.

Для определения направления самопроизвольного протекания реакции в открытых системах необходимо рассчитать химическое сродство по уравнению (1.44)

;

.

Рассчитаем по уравнению Гиббса-Гельмгольца (1.45)

,

.

Оба расчета дают одинаковые результаты, что подтверждает правильность расчетов. Так как , можно сделать вывод, что химическое сродство между исходными веществами есть, в открытой системе процесс идет самопроизвольно.

Химическое сродство при 800К вычислим по уравнению Темкина-Шварцмана (1.46)

,



.

, следовательно, химическое сродство между исходными веществами есть, в открытой системе процесс идет самопроизвольно.

Расчет константы равновесия реакции при стандартных условиях проводим по уравнению (1.49)

,

.

Рассчитанная величина и равновесие практически полностью смещено вправо (в сторону прямой реакции), реакция идет до конца, выход продуктов реакции составляет 100%.

Расчет константы равновесия при 800 К проводим по уравнению (1.50) .



.

При 800 К , следовательно и в этих условиях равновесие смещено вправо, т.е. выход продуктов составляет 100%.

Реакция идет с выделением тепла, в соответствии с принципом Ле-Шателье, для смещения равновесия в сторону выхода продуктов реакции необходимо снижать температуру (в предложенных условиях целесообразно проводить реакцию при 298 К). Количество моль газообразных участников реакции до и после взаимодействия одинаково (), поэтому увеличение давления на смещения равновесия влияния не оказывает.

1   2   3   4   5   6   7   8   9

Схожі:

Задача для контрольных работ iconЛитература по курсу "История экономики" 13 > Темы контрольных работ для студентов
Охватывает изменения цивилизации в целом
Задача для контрольных работ iconТематика контрольных работ по курсу "Культура делового общения"

Задача для контрольных работ iconТемы контрольных работ (эпф, 1 курс, заочн.)
move to 1064-20470
Задача для контрольных работ iconТематика контрольных работ
Правовое положение и функции государственных органов осуществляющих финансовый контроль
Задача для контрольных работ iconПрактикум Практическая работа №2. Тема: составление контрольных карт
Для определения контрольных границ (или контрольных нормативов) необходимо собрать большое количество данных, которые называют предварительными....
Задача для контрольных работ iconМетодические указания к выполнению контрольных работ по курсу «Менеджмент» для студентов II курса заочного отделения специальностей
Авторы: проф кафедры менеджмента, маркетинга и финансов (ммф) дэги р. М. Лазебник
Задача для контрольных работ iconТематика контрольных работ
Концепция научного управления производством, технологиями организаций и использование их в практике менеджмента
Задача для контрольных работ iconТематика контрольных работ
Порядок проведения сертификации систем качества в системе Укрсепро (дсту 3419-96)
Задача для контрольных работ iconТематика контрольных работ
Порядок проведения сертификации систем качества в системе Укрсепро (дсту 3419-96)
Задача для контрольных работ iconДокументи
1. /Сроки подачи контрольных работ в2010-11.doc
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи