Зертханалық жұмыстар тақырыптары

№ 1 лабораториялық жұ мыс Химиялық термодинамика заң дарын пайдаланып, жылу эффектілерін есептеу

Сабақ тың мақ саты: Химиялық термодинамика-энергияның ә ртү рлі формаларының ө зара ауысуын, оның ішінде химиялық реакция нө тижесінде бө лінетін энергияның тү рленуіи қ арастыру

Тапсырмалар:

1. Термодинамика тү сінікті болу ү шін, осы салада қ альштасқ ан атаулармен жә не терминдермен, ұ ғ ымдармен нақ тырақ танысу;

2. Химиялық, реакцияның жылу тиімділігі.анық тау;

Қ ұ рал-саймандар, ыдыс-аяқ, инструменттер:

1. Колориметрлік қ ұ рылғ ы, колориметрлік бомба, термометрлер, Бекман термометрі, сткандар, араластырғ ыш,

2. Дистилденген су, калий нитраты, мыс сульфаты, мыс кристаллогидраты, аммоний нитраты.

Кесте 1.

Зерттеу объектісінің органолептикалық жә не физикалық кө рсеткіштері

Тапсырманы орындау реті:

Жалпы тү сініктемелер

Химиялық термодинамика-энергияның ә ртү рлі формаларының ө зара ауысуын, оның ішінде химиялық реакция нө тижесінде бө лінетін энергияның тү рленуіи қ арастыратын физикалық химияның негізгі белімдерінің бірі. Ол кө птеген тә жірибе, ө мірдегі байқ аулар нө тижесінде тұ жырымдалғ ан ү ш бастамағ а (заң ғ а) сү йенеді.

Бірінші заң — энергия сақ талу заң ы, яғ ни энергия жоқ тан пайда болмайды жә не жоғ алмайды, тек бір тү рден екінші тү рге ауысып, ө згеріп отыратындығ ьша негізделген.

Екінші заң — ө згеріс бағ ытын, оның ішің де химиялық реакция жү ру мү мкіндігін айқ ындайтын шама бар деген тұ жырымғ а сү йенеді.

Ү шінші заң — абсолютті ноль температурасына жету мү мкін екендяі туралы.

Жалпы денелердің ыстық, сұ йық тың белгілі бір зат кү йінің ө згерісі арқ ылы керсету мү мкіндігі термодинамиканың алғ ашқ ы бастамасы (нулевое начало) арқ ылы жү зеге асады. Бұ л қ ағ ида-егер кез келген екі зат, ү шінші бір денемен жылу тепе-тең дігінде болса, онда олар ө зара да жылу тепе-тендік кү йінде болады. Жалпы термодинамиканың зандарын химиялық реакциялар мен олардың жү ру жағ дайларына қ олданса, онда ә ң гіме химиялық термодинамика саласы туралы болғ аны.

1. Тапсырма: термодинамика тү сінікті болу ү шін, осы салада қ альштасқ ан атаулармен жә не терминдермен нақ тырақ танысу.

Термодинамиканың бірінші бастамасы, яғ ни бірінші заң ы, ө мірдегі энергия сақ талу заң ына негізделіп каішштасқ ан. Алғ ашқ ыда термодинамиканың бірінші заң ы энергия сақ талу заң ының механикалық денелердегі жылу сақ талуының нақ ты бір кө рінісі ретің де қ арастырылғ ан. Ал, заттың ішкі энергиясы туралы ұ ғ ым енгеннен соң бірінші бастаманы жалпы заң, яғ ни энергия сақ талу заң ы регінде қ арастырады. Осығ ан байланысты Джоуль " Кез келген тү йық қ оршағ ан ортамен қ атысы жоқ жү йеде энергияның жалпы қ оры тү ракты" — деген қ оыртынды жасады. Ал, бізге термодинамика тү сінікті болу ү шін, осы салада қ альштасқ ан атаулармен жә не терминдермен нақ тырақ танысайық.

Дененің ішкі энергиясы

Ә рбір зат қ озғ алысына тә н, не салыстырмалы тыныштық жағ дайың ца осы дененің езіндік кү йін сипатгайтын термодинамикалық шама-ішкі энергиясы бар. Ішкі энергияның жалпы қ оры, сол затты қ ү райтын элементар бө лшектерінің бірқ альшты, тербелісті жә не

айнымалы қ озғ алыстарынан қ ү ралады. Дененің ішкі энергия қ оры оньң массасы мен кү йіне тә уелді, яғ ни жү йеге белгілі дә режеде сырттан ә сер еткен қ ысым, температура жө не т.б. шамалардың ық палын ескерту қ ажет. Электромагнитті толқ ындар ә серін ескермегең де, кө п жағ дайда ішкі энергия мө лшері осы ү ш айнымалы арқ ылы сипатгала альшады.

Ішкі энергия массағ а тө уелді болғ андық тан оны зат мө лшеріне яғ ни бір мольге шағ ып есептейді. Денеге ө сер етуші қ ысым, температура ө згергенде оның ішкі энергиясы да ө згереді. Егер, ә уелгі 1-жағ дайы дененің ішкі энергиясын, оның ІІ-кү йге келгендегі жағ дайы болса, онда ішкі энергия ө згерісін айырым арқ ылы анық тауғ а болады:

Ішкі энергияның абсолютгік шамасын аньгецау мү мкін емес, себебі ә уелгі ө мірдің, яғ ни қ озғ алыстың қ ай кезден басталғ аны беймағ лү м. Оның шамасын анық гаудың қ ажетгілігі де жоқ, тек бізге дененің, не жү йенің ә уелгі жағ дайдан соң ғ ы кү йге келгендегі ішкі энергия айрымын аның тасақ жеткілікті. Дененің ә уелгі ішкі энергиясы болса, онда І-жағ дайда оның ішкі энергиясы U^+Uj, ІІ-жағ дайда

Uj+Ujj болар еді. Бү л кезде ішкі энергия ө згерісі:

Дененің ішкі энергиясы, кө п жағ дайда жү йе жылу сің ірсе не более, яки жү йе белгілі тү рде жү мыс атқ арса, ө згереді. Сондық тан жылу жә не жү мыс табиғ атымен танысайық.

Жылу жә не жұ мыс

Кез келген, қ оршағ ан ортамен қ атысы жоқ, оқ шауланғ ан жү йені қ арастырайық. Мү ндай жү йе ішінде энергияның ө зара тү рленуі болғ анымен ондагы ішкі энергия мө лшері тү рақ ты шама, яғ ни

const — тұ рақ ты константа.

Математика тілінде тұ рақ ты шаманың туындысы нольге тең, яки ө сімшесі жоқ деген сө з.

Олай болса, жү йенің ішкі энергиясы тек ортамен ә рекетгескенде ғ ана ө згереді. Мысалы, кез келген зертгелетін жү йені сьфтқ ы жылу кө зіннен қ ыздырсақ, оның температурасы жоғ арылайды, яғ ни ішкі энергиясы ө згереді. Ә уелгі жағ дайда жү йе энергиясын U десек, оғ ан сыртқ ы орта ә сері арқ ылы оның ішкі энергиясын ете аз мө лшерге ө згертсек, оны математика тілінде ішкі энергияның ө сімшесі, яғ ни дифферешщалы деп атайды:

Сонымен, аталғ ан ө згерісті тө мендегідей (1.6) жаза аламыз:

Мұ ндағ ы: dQ — ө те аз мелшерде жү йеге жылу кү йінде берілген энергия;

dU — ішкі энергия ө сімшесі (дифференциалы); 6А — ө те аз мө лшерде атқ арылғ ан жұ мыс.

(1.6) тендігінен керіп отьфғ анымыздай жылу мен жү мыс іс-қ имылдың нә тижесінде туьшдайды, ал ішкі энергияның мө ні ә уелгі жағ дайдан dU мә ніне ө згереді. Сондық ган ішкі энергия термодика-микалық кү й параметрінің ішкі энергияны сипаттайтьш функциясы больш табылады. Ол ү зіліссіз болғ андық ган, оның нақ гы бір ө сімшесі-дифференциалы бар. Ал жү мыс пен жылу мү ндай қ асиетке ие бола алмайды, олар тек қ имыл, ә рекет нә тижесінде пайда болады, яғ ни жү йе ү шін олардың " ә уелгі" мә ні жоқ.

Ішкі энергия келемі {V), қ ысымы (Р) жө не температурасы (7) тө уелді больш, осы ү ш айнымалының ең кемі 2 тө уелсіз айньн-андағ ы ішкі энергияның аз ө згерісі оның толық ө сімшесін (толық дифференциальш) кө рсетеді, яғ ни ішкі энергия толық дифференциал қ асиетіпе ие болады, ол жү йенің функциялық кү йі болатьшдығ ын растайды.

Сонымен P, V жене Т-тә уелсіз айнымалылардың (параметрдің) тө уелді шамасы-яғ ни жү йенің функциялық кү йі болуы ү шін оның мө ні осы аталғ ан кү й параметрлеріне тікелей тә уелді болуы шарт. Осы жағ дайда, ішкі энергияның толық дифференциал қ асиетін ескере отьфьш былай жазамыз:

Мү ң дағ ы иң дексгегі шамалар осы айнымалылардың кдрастырылып отьфғ ан жағ дайда тү рақ тылығ ын білдіреді. Сонымен ішкі энергия

жылуымен жұ мыс арасындағ ы қ атьшасты (І.б)-тең дік сипаттайды. Егер жү йе V келемі ұ лғ айганда пайдалы жұ мыс атқ армай, тек энергия сьфтқ ы қ оршағ ан ауа кедергісін жоюғ ажү мсалса, оң да (1.6) тең цігін былай жазамыз:

Бү л жылу мен жұ мыс энергия берілуінің бірден-бір жолы. Онда электромагниттік толқ ьш, сә уле шашу арқ ьшы энергия берілуін ескермегенде, энергия тек жылу кү йінде не жұ мыс аткдрылуы арқ ылы ғ ана беріледі.

Жү мыс дегеніміз — жү йені қ ү ратын элементар бө лшектер жиынтығ ының белгілі бір бағ ьпта ретгелген қ озғ алысы арқ ылы энергия тү рінің берілу кескінін айтамыз.

Жылу дегеніміз-жү йені қ ұ райтын элементар бө лшектердің бағ дарсыз, бей-берекет қ озғ алысы нә тижесінде энергия берілуінің бір кескінін айтамыз. Осы шаманы сандық сипаттау ү шін жылу сиымдылық деген тү сінікпен танысайық.

Жылу сыйымдылық

Жү йе дене немесе денелер жиьштьпы, ал жылу мен жү мыс энергия берілу кескін тү рлері болғ андың ган, олардың мө лшерін белгілі бір бірлікке шағ ып есептейді. Сондай шамалардың бірі-жылу сыйымдылық.

Жылу сыйымдьшың деп қ ысым немесе кө лем тұ рақ гы жағ дайда заттың бірлік мө лшерінің температурасьш бір градусқ а арттьфуғ а қ ажетгі жылу мө лшерін айтады.

Бір фамм зат массасьшың температурасьш бір градускэ артгыруғ а кеткен жылу мө лшері меншікті жылу сыйымдылық деп аталынады.

Затгың бір молінің температурасьш бір градускэ арттьфуғ а кеткен жылу мө лшері молярлы жылу сыйымдылық делінеді.

Қ ысым тү рақ ты жағ дайда ө лшелінген жылу сыйымдылық изобарлы, кө лем тү рақ ты ж^дайда ө лшелінген жылу сыйымдылық изохорлы жылу сыйымдылық деп атальшады да Ср жө не С^ деп белгіленеді. Осы шамалардың айырымын

Майер тең деуі деп те атайды, мү нда R— универсалды газ тұ рақ тысы. Ал Ср-ның Сv-ге қ атысы идеалды газдар ү шін ү деп белгіленеді.

Физикалық химияда кеп жағ дайда жылу сыйымдылызстың ө те аз ө сімшесі нақ ты температурадағ ы энтальпия, яғ ни энергия ө згерісінің мә німен беріліп, оны нақ ты изохорлы не изобарлы жылу сыйымдылық тар деп атайды. Су-нақ ты изохорлы жылу сыйымдылық; Ср— нақ ты изобарлы жылу сыймдылық. Бұ л шамалардың мө нін математика тілінде ө рнектесек:

Туьшдының бұ л жағ дайда физикалық мә нге ие болуы ү шін жә не Ср ү шін олардың дифференциалдарьш пайдаланамыз.

Дене температурасын Tj жене температурасына арттыруғ а кеткен жылу мө лшерінің осы температура айырымына қ атынасы орташа жылу сыйымдылық тың менін береді:

(1.13) ернегімен 5Qy= CydT температура Tj ден езгергенде

(1.14) тең дігінен мө нін (І.І3)-ке қ ойсақ орташа жылу
сьшьшдылық пен " нақ ты" жылу сыйьшдылық тың ө зара байланысын
табамыз.

Тапсырманы орындау реті:

Жылу мен жұ мыс іс-қ имыл нө тижесі болғ андық тан, оның шамасьш белгілі нақ ты жағ дайларда қ арастьфу қ ажет.

Қ ысым тұ рақ ты. P=const — изобарлы процесс.

Бұ л жағ дайда жү йені жылу кү йінде берілген энергия дененің ішкі энергиясын артгырьш, кө лемін ү лғ айтады.

Егер пайдалы жү мыс істелінбесе, онда атқ арылғ ан жү мыс сан мө ні жө нінен жү йе ү лғ айғ андағ ы сыртацл ауа кедергісін жең уге кепсен энергия мелшеріне тең, япш

Дифференциал тең деуін шешсек

екені шьнады.

Тұ рақ ты кө лемде V=const — изохорлы процессте жү мыс атқ арылмайды А=0.V=const, ал тү рақ ты шаманың туындысы нольге тең. Бү л жағ дайда

Температура тү рақ ты. T=const - изотермиялы процесс. Бү л жағ дайда газ кү йінің тең деуі PV=TR екенін ескеріп, қ ысымды кө лем арқ ылы ө рнектесек (1.16) тең дігі тө мендегідей болады:

Интеграл тү рі

ал тұ рақ ты температурада PjV, =P2V2 екенін ескерсек

4. Егер жү йедегі іс-қ имыл Q=const, жылу ө згерісі сыртқ ы қ оршағ ан ортамен жылу алмаспай жү рсе, оны адиабатты процесс деп атайды. Бұ л жағ дайда істелінетін жұ мыс ішкі энергия азаюы нә тижесінде іске асады.

Бү л жағ дайда немесе

Адиабатты процесс кезінде газ кү йінің тендеуі (1.27) тү рііще ө рнектеледі:

Кө п процестер тү рақ ты қ ысым, атмосфералық жағ дайда жү ретін болғ андың тан, біз ішкі энергия орнына энтальпия деген шаманы кіргізіп есеіггеулерге пайдаланайық.

Ішкі энергия, жү йе жағ дайьш тү рақ ты келемде сипатгаса тұ рақ ты қ ысымда жү йе кү йін энтальпия білдіреді. Оны " Н" деп белгілеп, ішкі энергиямен қ атысын (1.28) ө рнегі кө рсетеді:

Былайша айтқ анда, сол қ ысымдағ ы дененің ұ лғ аюы нө тижесіндегі ішкі энергия деп қ арастыруғ а болады. Ішкі энергияның абсолютті шамасын анық тау мү мкіндігі жоқ тығ ынан энтальпияның да абсолютті шамасын табу мү мкін емес. Бізге энтальпия езгерісін білсек жеткілікті, яғ ни

Бү л жағ дайда бірінші бастаманьш, математикалъпс, ө рнегін былай жазамыз:

Егер (1.28) тендігін ескеосек:

Бү дан шығ атьш қ орытьшды, тү рақ ты қ ысьш-изобарлы процесте жү йеге жылу тү рінде берілген энергия толығ ымен энтальпия ө згерісіне жұ мсалады. Сонымен,

Егер Н=и+РҮ жө не AH=AU+PAV екендігін ескеріп PV-ны RT кө бейгіндісімен алмастырсақ, идеалды газдың бір молі ү шін тү рақ ты қ ысым мен кө лешіегі жылу айырмашылыіы RT кө бейтіндісіне тең.

Химияльж, термодинамиканың негізгі бір бө лімі термохимия-химиялық реакциялардың жылу тиімділіктерін, заттардың жылу сыйымдылық тарьш жө не олармен байланысты басқ а шамаларды зерттейді. Термохимиялық зерггеулер термодинамиканың бірінші заң ьша, яши энергия сақ талу жө не тү рлену заң ьша негізделген.