BÀI GIẢNG HÓA LÝ 1 Page 1 CHƯƠNG 1 NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC 1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Hệ H là mt phn vĩ mô có gii hn xác đnh đang đc kho sát v phơng din trao đi năng lng và vt cht. Phn th gii xung quanh h là môi trng ngoài đi vi h. Có ba loi h: H h (h m): Là h có th trao đi c năng lng ln vt cht vi môi trng ngoài. H kín (h đóng): Là h ch trao đi vi môi trng ngoài năng lng nhng không trao đi vt cht. H cô lp: Là h không trao đi c năng lng ln vt cht vi môi trng ngoài. 1.2. Trạng thái Trạng thái là một từ nói lên đặc điểm của hệ đang được khảo sát. Một hệ có trạng thái xác định khi những biến số xác định những đại lượng của hệ được biết một cách chính xác như nhiệt độ, thể tích, áp suất, khối lượng riêng các đại lượng này được gọi là biến số trạng thái của hệ. Trạng thái của hệ sẽ thay đổi nếu ít nhất có một trong những biến số trạng thái thay đổi. 1.3. Biến đổi quá trình Mt h nhit đng hc bin đi (hay thc hin mt quá trình) khi trng thái ca h thay đi. Trng thái ca h thay đi nu ít nht có mt bin s trng thái ca h thay đi. Bin đi đc xác đnh nu bit rõ trng thái đu và trng thái cui. Ðng bin đi ch đc xác đnh khi bit đc trng thái đu, trng thái cui và tt c nhng trng thái trung gian mà h đã tri qua. Ngi ta chia ra các loi bin đi: BÀI GIẢNG HĨA LÝ 1 Page 2 Bin đi h (m): Là bin đi đem h t trng thái đu đn trng thái cui khác nhau. Bin đi kín (đóng): Là bin đi đem h t trng thái đu đn trng thái cui ging nhau. Trng hp này, h đã thc hin mt chu trình bin đi kín(chu trình) Bin đi thun nghch: Là bin đi mà các trng thái trung gian ca h tri qua đc xem nh do các q trình cân bng. Mt cách đơn gin đ xác đnh tính cht thun nghch ca mt bin đi là kho sát xem bin đi ngc li có th xy ra đc hay khơng khi ch thay đi rt ít điu kin thc nghim. Nu bin đi ngc xy ra đc thì đó là bin đi thun nghch, nu bin đi ngc khơng xy ra đc thì đó là bin đi bt thun nghch (hay bin đi t nhiên). Bin đi đng tích: Là bin đi đc thc hin trong điu kin th tích ca h khơng thay đi. Bin đi đng áp: Là bin đi đc thc hin trong điu kin áp sut khơng đi. Bin đi đng nhit: Là bin đi đc thc hin trong điu kin nhit đ khơng đi. Bin đi đon nhit: Là bin đi đc thc hin trong điu kin khơng có s trao đi nhit lng gia h vi mơi trng ngồi. 1.4. Hàm trạng thái Là những đại lượng dặc trưng cho mỗi trạng thái của hệ và thường được biểu diễn dưới dạng một hàm số của các thông số trạng thái. 1.5. Nhiệt và cơng Đây là hai hình thức truyền năng lượng của hệ. Công ký hiệu là A và nhiệt ký hiệu là Q. Quy ước dấu Công A Nhiệt Q Hệ sinh > 0 < 0 BÀI GIẢNG HĨA LÝ 1 Page 3 Hệ nhận < 0 > 0 2. NGUN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 2.1. Ngun lý thứ nhất nhiệt động học và nội năng U Nội dung:Ttrong một quá trình bất kỳ biến thiên nội năng ∆U của hệ bằng nhiệt mà hệ nhận trừ đi công mà hệ sinh. ∆U = Q - A 2.2. p dụng nguyên lý thứ nhất cho một số quá trình a. Qúa trình đẳng tích: V= hằng số, dV=0. Do qúa trình là đẳng tích nên cơng t hể tích khơng thực hiện được. Do đó: Q V = ΔU. Vậy: Nhiệt mà hệ nhận được trong q trình đẳng tích bằng với biến thiên nội năng của hệ. b. Qúa trình đẳng áp: p = hằng số, dp=0. Cơng thực hiện trong trường hợp này là: A p = p.(V 2 -V 1 ). Do đó nhiệt của q trình: Q p = ΔH. Vậy: Nhiệt hệ nhận được trong q trình đẳng áp bằng biến thiên enthalpy của hệ. c. Qúa trình đẳng áp của khí lý tưởng: p = hằng số, dp=0. Theo phương trình trạng thái của khí lý tưởng với n mol khí như sau: pV=nRT. Trong đó R là hằng số khí lý tưởng. Do đó cơng dẫn nở đẳng áp có thể tính theo phương trình sau: A p = nRΔT. BI GING HểA Lí 1 Page 4 U p = Q p nRT. d. Qỳa trỡnh dón n ng nhit ca khớ lý tng p dng tớnh cht ca nh lut Joule: ni nng ca khớ lý tng ch ph thuc vo nhit , t ú cú th suy ra: Bin thiờn ni nng ng nhit ca quỏ trỡnh l bng khụng U T = 0. Vy: Q T = A T = nRTlnp2/p1=nRT.lnv2/v1. 3. NH LUT HESS 3.1. Ni dung nh lut Trong quỏ trỡnh ng ỏp hay ng tớch, nhit phn ng ch ph thuc vo trng thỏi u v trng thỏi cui m khụng ph thuc vo trng thỏi trung gian ca quỏ trỡnh. Q V = U v Q p = H i vi cỏc quỏ trỡnh ca khớ lý tng: H=U + RTn. 3.2. Caực heọ quaỷ cuỷa ủũnh luaọt Hess p dng nh lut Hess cú th xỏc nh hiu ng nhit ca cỏc quỏ trỡnh thụng qua hiu ng nhit ca ỏc quỏ trỡnh khỏc cú liờn quan hoc thụng qua nhit sinh, nhit chỏyca cỏc cht trong quỏ trỡnh. - Nhit phn ng nghch bng nhng trỏi du vi nhit ca phn ng thun: H nghch = - H thun. - Nhit phn ng tng bng nhit sinh ca cỏc cht to thnh tr i nhit sinh ca cỏc cht tham gia quỏ trỡnh: H phn ng =H s c - H s d - Nhit phn ng bng tng nhit chỏy ca cỏc cht tham gia quỏ trỡnh tr i tng nhit chỏy ca cỏc cht to thnh: H phn ng =H c d - H c c BÀI GIẢNG HĨA LÝ 1 Page 5 4. NHIỆT DUNG 4.1. Đònh nghóa các loại nhiệt dung Nhiệt dung riêng của một chất bất kỳ là một đại lượng vật lý có giá trị bằng nhiệt lượng cần cung cấp cho một đơn vị khối lượng chất đó để làm tăng nhiệt độ thêm 1 o . Nhiệt dung riêng phân tử của một chất bất kỳ là một đại lượng vật lý có giá trị bằng nhiệt lượng cần cung cấp cho một kmol chất ấy để làm tăng nhiều độ lên 1 độ. Ký hiệu nhiệt dung riêng là c, Cal/g.K Nhiệt dung riêng phân tử là C, Cal/mol.K Ðối với chất khí ta cần phân biệt xem ta làm nóng chất khí trong điều kiện nào: đẳng tích hay đẳng áp. Do đó ta có nhiệt dung riêng đẳng tích và nhiệt dung riêng đẳng áp. Nhiệt dung đẳng áp: C p Nhiệt dung đẳng tích: C v C p + C v = R 5. Đònh luật Kirchhoff Biểu thức toán học của đònh luật Kirchhoff: BÀI GIẢNG HĨA LÝ 1 Page 6 CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC I. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN: 1. Quá trình tự xảy ra và không tự xảy ra. 2. Trạng thái cân bằng. 3. Quá trình thuận nghòch và bất thuận nghòch. II. NGUN LÝ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC: 1 ENTROPY 1.1 Định nghĩa entropy Khi xét quá trình thuận nghòch, đẳng nhiệt thì tỷ số Q/T của quá trình không đổi, nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối mà không phụ thuọc vào đường đi. Nó mang tính chất như một hàm trạng thái, hàm này được gọi là Entropy và ký hiệu là S. ∆S = Q TN /T (Cal/mol.K hay J/mol.K) 1.2 Các tính chất của entropy. Theo định nghĩa, thì entropy có những tính chất sau: a, Entropy là đại lượng đặc trưng cho thuộc tính hỗn loạn của hệ, tương tự như nội năng entropy có tính cộng. b, Entropy là một hàm của xác suất nhiệt động W S = f(W) c, Sự tăng entropy luôn kèm theo quá trình nào đó dẫn đến một trạng thái có xác suất lớn hơn, có nhiều khả năng thực hiện hơn. 1.3 Dùng Entropy để xét chiều trong hệ cô lập. Trong các hệ cô lập, quá trình xảy ra là đoạn nhiệt hay δQ = 0, vậy: BÀI GIẢNG HĨA LÝ 1 Page 7 - Nếu dS > 0 quá trình tự xảy ra - Nếu d 2 S < 0 hay dS = 0 quá trình đạt cân bằng. 1.4. Biến thiên Entropy của một số quá trình thuận nghòch. - Quá trình đẳng áp hoặc đẳng tích: ( p=const, V =const) - Quá trình đẳng nhiệt: (T=const) - Các quá trình chuyển pha: ( là các quá trình thuận nghòch đẳng nhiệt đẳng áp) 1.5. Tiên đề Planck về Entropy tuyệt đối. ∆S o 298 = ∑∆S o 298c - ∑∆S o 298d III. HÀM ĐẶC TRƯNG. 1. Định nghĩa hàm đặc trưng. Hàm đặc trưng là một hàm trạng thái mà thơng qua đó các đạo hàm các cấp của nó có thể xác định mọi thơng số vĩ mơ của hệ. 2. Hàm entropy. Mơ tả tốn học như sau: dS = δQ tn /T 3. Hàm nội năng U. Hàm Anthalpy H. Còn gọi là hàm nhiệt, mơ tả tốn học như sau: H = U + PV. Với thứ ngun là cal hay J. 4. Thế nhiệt động đẳng nhiệt, đẳng áp. Còn gọi là hàm năng lượng Gibbs, được mơ tả như sau: BI GING HểA Lí 1 Page 8 G = H TS. Vi th nguyờn l cal hoc J. 5. Th ng nhit, ng tớch. Cũn gi l th ng tớch hay l hm nng lng Helmholtz, ck mụ t bi biu thc: F = U TS. Vi th nguyờn l cal hoc J. * T mi hm c trng v vi phõn riờng phn ca hm theo cỏc bin s tng ng cú th xỏc nh c nhng thuc tớnh nhit ng ca h. IV. Caực phửụng trỡnh nhieọt ủoọng cụ baỷn. Cỏc phng trỡnh nhit ng c bn l cỏc mụ t toỏn hc ca ni dung nguyờn lý 1 v nguyờn lý 2 ca nhit ng lc hc. 1. Kt hp hai nguyờn lý 1 v 2. dU TdS PdV A 2. T nh ngha ca hm H. H = U + PV, ly vi phõn v thay hm dU vo ta cú: dH TdS + VdP - A 3. T hm th ng nhit, ng ỏp. G = H TS, ly vi phõn v thay hm dH vo ta cú: dG SdT+ VdP - A 4. T hm th ng nhit, ng tớch. F = U TS, ly vi phõn v thay hm dU vo ta cú: dF - SdT PdV - A * Cỏc h thc trờn l nhng h thc nhit ng c bn rt quan trng trong nhit ng hc, c dựng xột chiu v gii hn ca quỏ trỡnh trong cỏc iu kin tng ng. Trong cỏc h thc trờn thỡ du bt ng thc tng ng vi quỏ trỡnh bt thun nghch, BÀI GIẢNG HÓA LÝ 1 Page 9 còn dấu đẳng thức tương ứng với quá trình thuận nghịch và lức này công A sẽ đạt giá trị cực đại A max . V. DÙNG HÀM ĐẶC TRƯNG ĐỂ XÉT CHIỀU CHO QUÁ TRÌNH. Tiêu chuẩn xét chiều trong hệ đẳng nhiệt, đẳng áp. Xuất phát từ hàm nhiệt đợng cơ bản dG ≤ SdT+ VdP - δA’ Trong điều kiện đẳng nhiệt, đẳng áp: dT = 0 và dP = 0 thay vào ta có: dG ≤ - δA’ . Do công có ích là dương nên dG ≤ 0 * Nếu quá trình xảy ra trong hệ thuận nghịch thì công cực đại bằng độ giảm thế đẳng áp δG = - δA max * Nếu quá trình xảy ra trong hệ là bất thuận nghịch thì thế đẳng áp của hệ giảm dG ≤ 0.Và khi quá trình đạt cân bằng thì thế đẳng áp của hệ sẽ đạt cực tiểu G min nên dG = 0. 1. Tiêu chuẩn xét chiều trong hệ đẳng nhiệt, đẳng tích. Xuất phát từ hàm nhiệt đợng cơ bản: dF ≤ - SdT – PdV - δA’. Trong điều kiện đẳng nhiệt, đẳng tích: dT = 0 và dV = 0 thay vào ta có: dF ≤ - δA’ ≤ 0 . Do công có ích là dương nên dF ≤ 0. * Nếu quá trình xảy ra trong hệ thuận nghịch thì công cực đại bằng độ giảm thế đẳng tích. * Nếu quá trình xảy ra trong hệ là bất thuận nghịch thì thế đẳng áp của hệ giảm dF < 0 Và khi quá trình đạt cân bằng thì thế đẳng áp của hệ sẽ đạt cực tiểu F min nên dF = 0. VI. TÍNH THẾ ĐẲNG ÁP. Các thế nhiệt động lag hàm số phụ thuộc vào nhiệt độ nên nếu biết được các hàm này ta có thể chủ động thay đổi nhiệt độ và chọn các điều kiện thích hợp cho quá trình xảy ra theo chiều mong muốn. 1. Phương trình Gibbs-Helmholtz. BÀI GIẢNG HÓA LÝ 1 Page 10 Ta có: dG = - SdT + VdP và ∆G = ∆H - T∆S. Thay vào thu được phương trình dạng tích phân như sau: 2 1 2 1 2 1 1 1 .( ). T T G G H T T T T ∆ ∆ = − ∆ − Ở đây xét trong một khoảng nhiệt độ tương đối hẹp nên ∆H xem như là không thay đổi. Hoàn toàn tương tự như trên, áp dụng cho hàm F ta có kết quả: 2 1 2 1 2 1 1 1 .( ). T T F F U T T T T ∆ ∆ = − ∆ − 2. Phương trình Chomkin-Svartsman. Nếu lấy tích phân của hàm Gibbs-Helmholtz theo cận nhiệt độ từ 298 đến T, ta có:         ∫ ∫ ∆G ∆G T T dT 298 T = - ∆H + ∆C dT p 298 2 T 298 T 298 298 , nếu áp dụng i a T i ∆ = ∆ ∑ C p , thu được phương trình sau: 298 298 G H T S T a M i i T ∆ = ∆ − ∆ − Σ∆ , trong đó M i chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T và chỉ số i nên luôn được tính sẵn ở trong các bảng tra hoá lý. Như vậy nếu dùng phương trình này để tính toán sẽ nhanh hơn và có độ chính xác tương đối. 3. Thế đẳng áp rút gọn. Để tính toán biến thiên thế đẳng áp của quá trình, trong một số trường hợp người ta còn sử dụng hàm số thế đẳng áp rút gọn, nó được định nghĩa như sau: 0 0 0 G H T g T − = − hoặc 298 298 0 0 G H T g T − = − , trong đó g là một hàm ít phụ thuộc vào nhiệt độ nên thường tính sẵn và có trong các bảng tra hoá lý. Biểu thức trên còn được chuyển về dạng dễ sử dụng hơn như sau: [...]... 15 0 mmHg Bài 4 trang 18 0 a./ xe tan ol = xmethanol 10 0 / 46 = 0, 41 100 / 46 + 10 0 / 32 = 1 − 0, 41 = 0,59 l Pe tan ol = Peotan ol * xe tan ol = 44,5 * 0, 41 = 18 ,2mmHg o l b./ Pmethanol = Pmethanol * xmethanol = 88,7 * 0,59 = 52,3mmHg P = Pe tan ol + Pmethanol = 70,5mmHg Page 30 BÀI GI NG HĨA LÝ 1 h xmethanol = c./ xehtan ol = c l α xmethanol (88,7 / 44,5).0,59 = = 0,7 41 l 1 + (α − 1) .xmethanol 1 + ((88,7... dung dòch xi = ni ∑ni Ví d : 15 oC, dung d ch H2SO4 20% có t tr ng b ng 1, 145 g/cm3 Tính CM, CN, Cm, và n ng phân mol c a dung d ch Bài gi i: Page 24 BÀI GI NG HĨA LÝ 1 CM = 10 .d C % 10 .1, 145.20 = = 2,34 M M 98 CN = 2xCM = 4,68(N) Cm = 20 .10 00 = 2,55mol / kg 98 (10 0 − 20) x H 2O 20 / 98 = 0,044 (20 / 98) + (80 / 18 ) = 1 − 0,044 = 0,956 3 Phân loại dung dòch xH 2SO4 = Dung dòch lý tưởng: là dung dòch mà... glycerin = 10 / 92 = 0,02 (10 / 92) + (90 / 18 ) Pdd = Ponư c * xlnư c Pdd =23,7x (1- 0,02) = 23,2 mmHg Bài t p 3 trang 18 0 Trư ng h p 1 P = PA + PB = 250 mmHg o PA = PAo x lA = PA 1 / 3 l PB = PBo xB = PBo 2 / 3 Trư ng h p 2 P = PA + PB = 300 mmHg o PA = PAo x lA = PA 1 / 2 l PB = PBo x B = PBo 1 / 2 K t h p 2 trư ng h p trên ta có: 1 0 2 0 PA + PB = 250 3 3 1 0 1 0 PA + PB = 300 2 2 ÁP S : 450 mmHg và 15 0... v y H ph i n m kh i tâm v t lý c a tam giác H1H2H3 Ta có: g = g1 + g2 + g3 Đ u tiên ta xác đ nh đi m K như sau: H K = h H1 + h H2 và g H K 1= 2 g H K 2 1 Ti p theo ta xác đ nh đi m H th o tho theo đi u ki n sau: H H=h K + h H3 và H H g +g K = 1 2= 3 g g HK 3 3 g Page 23 BÀI GI NG HĨA LÝ 1 CHƯƠNG 5 DUNG DỊCH VÀ CÂN BẰNG DUNG DỊCH – HƠI I Đại cương về dung dòch 1 Đònh nghóa: Dung dòch là một hệ đồng... trong mỗi pha bằng 1) IV CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HSCB 1 Nhiệt độ: Phương trình đẳng nhiệt Van’t Hoff ∆GoT = -RTLn Kp Page 16 BÀI GI NG HĨA LÝ 1 Thực tế áp suất ít ảnh hưởng ∆H, KP Page 17 BÀI GI NG HĨA LÝ 1 CHƯƠNG IV LÝ THUY T CƠ B N C A Q TRÌNH CÂN B NG PHA I M T S KHÁI NI M CƠ B N Trong nghiên c u v pha c n th ng nh t m t s khái ni m dùng trong vi c kh o sát cân b ng pha như sau: 1 Pha f 2.H p ph... (1) , (2) và (3) lên đồ thò “áp suất thành phần” (P-x) ta được hình 6.2 Ví dụ: Ở 500C, áp suất hơi bảo hòa của n-pentan và n-hecxan tương ứng là 12 00 và 400 mmHg, thì áp suất hơi của dung dòch n-pentan và n-hecxan (được xem là dung dòch lý tưởng) sẽ bằng: P = 400 + (12 00 − 400 ).x l pen Hình 6.2 Giản đồ áp suất hơi (P -x) của dung dòch 2 cấu tử lý tưởng Bài t p 2 trang 18 0 Page 29 BÀI GI NG HĨA LÝ 1. .. B α.x l B = = h + xh l + α.x l l ) + α.x l x x (1 − x A B A B B B xh = B α.x l B α.x l B 1 + (α − 1) .x l B (6.3) (6.4) Page 31 BÀI GI NG HĨA LÝ 1 Biểu diễn phương trình (6.4) lên đồ thò (x-x) ta được các đường trên hình 6.3 Hình 6.3 Giản đồ (x-x) của hệ hai cấu tử A-B - Nếu α = 1, đồ thò là đường chéo AC - Nếu α > 1, đồ thò cong lên phía trên - Nếu α < 1, đồ thò cong xuống dưới e Nhiệt độ sôi và giản... T2 x =1 T0 i Từ đó ta có: λ 1 1  lnx = − i  − o  i R T T  T0: nhiệt độ ngưng tụ (nhiệt độ sôi) III Sự hòa tan của chất lỏng trong chất lỏng và cân bằng dung dòch – hơi 1 Hệ dung dòch lý tưởng tan lẫn vô hạn Xét hệ hai cấu tử (A - B) tan lẫn vô hạn vào nhau và dung dòch A - B nằm cân bằng với pha hơi của chúng p dụng quy tắc pha Gibbs: c = k - f + 2 = 2 - 2 + 2 = 2 Page 27 BÀI GI NG HĨA LÝ 1 a p... h xmethanol = c./ xehtan ol = c l α xmethanol (88,7 / 44,5).0,59 = = 0,7 41 l 1 + (α − 1) .xmethanol 1 + ((88,7 / 44,5) − 1) .0,59 α xel tan ol (44,5 / 88,7).0, 41 = = 0,259 l 1 + (α − 1) .xe tan ol 1 + ((44,5 / 88,7) − 1) .0, 41 Thành phần pha hơi – đònh luật Konovalop I Xét hệ dung dòch lý tưởng của hai cấu tử A và B nằm cân bằng với pha hơi của chúng xh nh P B = B = B P xh nh A A A Theo đònh luật Danton:... - Đường (3) là đường tuân theo đònh luật Henry Hình 6 .1 So sánh đònh luật Raoult và đònh luật Henry Page 28 BÀI GI NG HĨA LÝ 1 b Giản đồ “p suất – thành phần” (P - x) p dụng đònh luật Raoult cho dung dòch lý tưởng của hai cấu tử (A-B): P = P 0 x l = P 0 1 − x l    A A A A B P = P0 x l B B B (1) (2) p suất tổng của hệ là: P = PA + PB = P 0 1 − x l  + P 0 x l   A B B B P = P 0 +  P 0 − P . muốn. 1. Phương trình Gibbs-Helmholtz. BÀI GIẢNG HÓA LÝ 1 Page 10 Ta có: dG = - SdT + VdP và ∆G = ∆H - T∆S. Thay vào thu được phương trình dạng tích phân như sau: 2 1 2 1 2 1 1 1 .(. BÀI GIẢNG HÓA LÝ 1 Page 1 CHƯƠNG 1 NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC 1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. 1. Hệ H là mt phn vĩ mô có gii hn xác đnh đang. như là không thay đổi. Hoàn toàn tương tự như trên, áp dụng cho hàm F ta có kết quả: 2 1 2 1 2 1 1 1 .( ). T T F F U T T T T ∆ ∆ = − ∆ − 2. Phương trình Chomkin-Svartsman. Nếu lấy tích