background image

Ćwiczenia rachunkowe z chemii fizycznej 

Semestr zimowy 2006/2007  Kierunek studiów: Technologia Chemiczna 

Problemy na kolokwium z termodynamiki, grupa 1. 

(można dołączyć dodatkowe kartki z rozwiązaniem:  dołączam kartek.........

 
Nazwisko i imię:  .............................................................................................................................  Data: 07/11/2006 

Zad.1 Zad.2 Zad.3 Zad.4 

Σ 

/5 /5 /7 /7 

24/24 

POWODZENIA! 

1.  2 mole jednoatomowego gazu doskonałego, znajdującego się początkowo w warunkach P

p

=10

5

 Pa, T

p

=298K, 

podczas nieodwracalnego izotermicznego rozprężania osiągają ciśnienie końcowe P

k

=5·10

4

Pa, wykonując przy 

tym pracę 836J. Wyznacz dla tej przemiany ∆u,  ∆h,  ∆g, q i ∆s. Oblicz także pracę przy założeniu,  że opisana 
przemiana jest odwracalna. 

 
Rozwiązanie (zadanie jest zmodyfikowaną wersją zadania nr 22 z 7. rozdziału zbioru zadań Adamsona): 
 
1. Ponieważ przemiana jest izotermiczna, T=const., zatem ∆u=0 i ∆h=0; w= –836 J (jest to rozprężanie, i słowa 

„wykonuje pracę” oznaczają znak „–”). Z I zasady q= –w= +836 J. 

2.  

∆s=q

odwr

/T

p

= –w

odwr

/T

p

 . Oznacza to konieczność uprzedniego wyliczenia pracy przy założeniu odwracalności 

przemiany (przy tych zamych warunkach początkowych i końcowych oraz sposobie przejścia – izoterma). 

 

w

odwr

= –nRTln(V

k

/V

p

) = nRTln(P

k

/P

p

) = 2·8,314·298·ln0,5 = –3435 J. Zauważmy, że obliczanie objętości jest zbęd-

ne, potrzebny jest tylko odpowiedni stosunek, a widać,  że wynosi on 2 (lub ½). Stąd  ∆s=q

odwr

/T

p

= 3435/298 

= +11,52 J/K. 

3. Ostatecznie 

∆g= ∆h

A

 –T

p

∆s = 0 –298·(11,52) = –3435 J (nawet liczyć nie trzeba!). Tę ostatnią funkcję można też 

wyliczyć z różniczki dg=VdP – sdT. Wyjdzie to samo. 

 
 
 
 
 
 
 

background image

2. Ciepło tworzenia HBr(g) z H

2

(g) i Br

2

(g) wynosi w temperaturze 298,15 K –37,7 kJ/mol. Przyjmując, że ciepła 

molowe C

p

 wszystkich gazów dwuatomowych wynoszą 29,3 J/(K·mol) i są w omawianych warunkach niezależne 

od temperatury, oblicz molowe ciepło tworzenia HBr w temperaturze 175

o

C. Oblicz także temperaturę końcową 

gazów powstałych w bombie kalorymetrycznej (stała objętość), zawierającej początkowo 1 mol Br

2

(g) i 99 moli 

H

2

(g) w temperaturze 25

o

C, i w której zainicjowano reakcję syntezy HBr(g). Reakcja syntezy zaszła do końca, po-

jemność cieplną bomby można pominąć. 

 

Rozwiązanie (zadanie jest nieco zmodyfikowaną wersją zadania nr 8 z 6. rozdziału zbioru zadań Adamsona): 
 
 

Rozpocznijmy od zapisania reakcji: ½H

2

(g) + ½Br

2

(g) = HBr(g). 

Do przeliczenia entalpii na inną temperaturę stosuje się wzór Kirchoffa: ∆H

0

473

= ∆H

0

298

+ ∆C

p

(473,15 – 298,15).  

Widzimy,  że do potrzebna jest wartość  ∆C

p

 reakcji:

=

i

s

i

s

p

i

s

i

pr

i

pr

p

i

pr

p

C

n

C

n

C

,

,

,

,

,

,

,

,

. Dla warunków zadania (przed 

i po reakcji mamy 1 mol gazu dwuatomowego – takie same C

p

) ∆C

p

 = 0, a ∆H

0

473

= ∆H

0

298

= –37,7kJ/mol 

 
 

W bombie kalorymetrycznej (rodzaj kalorymetru, służący głównie do wyznaczania ciepeł spalania) reakcje biegną 

izochorycznie. W naszym przypadku „spaliliśmy w nadmiarze wodoru” 1 mol bromu. Wydzielone ciepło reakcji (nieza-
leżne, jak już ustaliliśmy, od temperatury) zostanie zużyte na ogrzanie produktów reakcji i nieprzereagowanego nad-
miaru wodoru. Ciepło reakcji zużywane jednak będzie w warunkach izochorycznych, a także sama reakcja biegnie w 
takich warunkach, ilość wydzielonego ciepła odpowiada zatem ∆u a nie ∆h. Wiemy, że ∆U

r

= ∆H

r

 – ∆n

g

RT. Zauważa-

my, że liczba moli reagentów gazowych w rozpatrywanej reakcji nie ulega zmianie, zatem ∆U

r

= ∆H

r

 
 Możemy już zapisać bilans cieplny: 
 
 

∆u = ∆u

reakcji

 + ∆u

ogrzania gazów poreakcyjnych

 = ∆u

r

 + ∆u

ogp

 = 0 

 
 

∆u

r

 = 2∆U

r

; spaliliśmy cały mol bromu, a nie ½, jak w reakcji tworzenia HBr(g). 

∆u

ogp

 = nC

v

(T

k

 –T

p

) = 100(C

p

 – R)∆T; zauważamy, iż przed reakcją było 100 moli gazu (1 mol Br

2

 i 99 moli H

2

), a 

po reakcji również 100 moli (2 mole HBr i 98 moli H

2

) zawsze gazu dwuatomowego, o jednakowych C

p

, które 

w obliczeniach zmniejszamy do C

v

 poprzez odjęcie stałej gazowej. Z bilansu znajdujemy ∆T: 

 
2∆U

r

 + 100(C

p

 – R)∆T = 0 => ∆T = –2∆U

r

/100/C

v

= –2·(–37700)/[100·(29,3 – 8,314)] =35,93 K (lub 

o

C). 

 
t

k

 = 60,93

o

C; T

k

 = 334,08K 

 

 
 
 

background image

3. Posiadając dane termochemiczne (wszystkie dla 298,15K) o następujących reakcjach: 
 molowe 

ciepło spalania CH

2

CHCN(g)  

∆H

0

1

= –2044,6 kJ 

 molowe 

ciepło spalania C(grafit) 

 

∆H

0

2

= –393,5 kJ 

 molowe 

ciepło spalania H

2

(g)  

 

∆H

0

3

= –285,9 kJ 

 molowe 

ciepło tworzenia HCN(g) 

 

∆H

0

4

= +129,7 kJ 

 molowe 

ciepło tworzenia C

2

H

2

(g)   ∆H

0

5

= +226,7 kJ 

 Oblicz 

∆H

0

 (w temp. 298,15K) dla reakcji: HCN(g) + C

2

H

2

(g) = CH

2

CHCN(g) oraz różnicę ∆H

0

 – ∆U

0

 w tej tem-

peraturze. 

 
Rozwiązanie (jest to zadanie nr 13 z 6. rozdziału zbioru zadań Adamsona): 
 Proponuję użyć reakcję spalania akrylonitrylu (CH

2

CHCN) w kierunku odwrotnym –R1 (co wprowadzi na właści-

we miejsce – po prawej stronie znaku równości w reakcji docelowej – 1 mol akrylonitrylu), następnie odjąć reakcje 
tworzenia cyjanowodoru –R4 (co umieści, gdzie trzeba, po lewej stronie znaku równości w reakcji docelowej 1 mol 
HCN) i podobnie – w tym samym celu – skorzystać z reakcji tworzenia etenu –R5. Zobaczmy efekt tych działań: 
–R1: 3CO

2

(g) + 1½H

2

O(c) + ½N

2

(g)  

 

= CH

2

CHCN(g) + 3¾O

2

(g) 

–R4: 

HCN(g) 

 

    = 

½H

2

(g) + C(grafit) + ½N

2

(g) 

–R5: C

2

H

2

(g) 

    = 

2C(grafit) 

H

2

(g) 

 
  

3CO

2

(g) + 1½H

2

O(c) + HCN(g) + C

2

H

2

(g)  = CH

2

CHCN(g) + 3¾O

2

(g) + 3C(grafit) + 1½H

2

(g) 

 
 

 

 

 

 

         reakcja docelowa 

 Jak 

widać, wszystko było całkowicie poprawnie (niejako „sam” wyeliminował też się azot). Widać też, że potrzeb-

ne są jeszcze dwa kroki – eliminacja wody i dwutlenku węgla. Aby zrealizować to pierwsze, musimy dodać reakcję R2 
pomnożoną przez trzy, oraz dodać 1½ reakcji R3, aby wyeliminować wodę i otrzymać reakcję docelową. Sprawdzamy: 
  

3CO

2

(g) + 1½H

2

O(c) + HCN(g) + C

2

H

2

(g)  = CH

2

CHCN(g) + 3¾O

2

(g) + 3C(grafit) + 1½H

2

(g) 

+3R2 3C(grafit) + 3O

2

(g) 

 

 

= 3CO

2

(g) 

+1½R3 1½H

2

(g) + ¾O

2

(g) 

 

 

= 1½H

2

O(c) 

Jak widać wszystko wykonane zostało poprawnie i ostatecznie: 
∆H

0

X

= –∆H

0

1

 – ∆H

0

4

 – ∆H

0

5

 + 3∆H

0

2

 + 1½∆H

0

3

= –(–2044,6) – 129,7 – 226,7 + 3(–393,5) + 1½(–285,9) = 2044,6 – 

129,7 – 226,7 – 1180,5 – 428,25 = 79,45 kJ (lub kJ/mol, bo chodzi o wytworzenie 1 mola akrylonitrylu). 
∆U

0

=∆H

0

 – ∆n

g

RT 

 ∆H

0

 – ∆U

0

 = ∆n

g

RT 

Ponieważ ∆n

g

= –1, to ∆H

0

 – ∆U

0

 = –1·8,314·298,15= –2479 J ≈ –2,48 kJ 

 
 

background image

 

4.  1 mol jednoatomowego gazu doskonałego, znajdujący się początkowo w stanie (1) opisanym parametrami 

V

1

=5 dm

3

, T

1

=298K i P

1

, ulega dwom kolejnym przemianom odwracalnym. Pierwsza z nich (A) polega na izoter-

micznym sprężeniu gazu do objętości V

2

 równej połowie objętości początkowej i ciśnienia P

2

. Druga przemiana 

(B) polega na izochorycznym schłodzeniu gazu do ciśnienia P

3

 równego ciśnieniu początkowemu (P

1

). Od stanu 

(1) do stanu (3) można również przejść w procesie (C) będącym odwracalnym sprężaniem izobarycznym od V

1

 do 

V

3

, który to proces (przemiana) jest równoważny sumie przemian A i B. Oblicz: P

1

, P

2

, T

3

, a także q

A

, w

A

, ∆U

A

∆H

A

, ∆S

A

, ∆G

A

, q

B

, w

B

, ∆U

B

, ∆H

B

, ∆S

B

. Naszkicuj wszystkie trzy przemiany w układzie współrzędnych P=f(V). 

Odpowiedz także (z uzasadnieniem) czy wartości q

C

, w

C

 i ∆U

C

  są większe, mniejsze, czy równe analogicznym 

wartościom w równoważnej przemianie dwuetapowej q

A+B

, w

A+B

, ∆U

A+B

 
 Rozwiązanie (jest to zmodyfikowana wersja zadania nr 15 z 7. rozdziału zbioru zadań Adamsona): 
 
Najlepiej rozpocząć od wykonania szkicu →  
 
Teraz liczymy żądane wartości parametrów stanu: 
 
P

1

= RT

1

/V

1

= 8,314·298/0,005 = 495514,4 Pa 

P

2

= 2P

1

, boć przecież w izotermie P

1

V

1

=P

2

V

2

, a V

2

=½V

1

, zatem 

P

2

= 991028,8 Pa (wartości ciśnień można zaokrąglić, pamiętając jednak, że 

ich stosunek wynosi dokładnie 2). 
T

2

= T

1

 (izoterma A), a potem w izochorze B P

2

/T

2

=P

3

/T

3

, co daje 

T

3

=T

2

·P

3

/P

2

. Ponieważ  P

3

= P

1

 (przemiana C jest izobarą), a P

2

=2P

1

, to 

T

3

= ½T

1

 = 149K. 

 
 
Przemiana A:  
Ponieważ T=const. ∆U

A

=0 i ∆H

A

=0; w

A

= –RT

1

ln(V

2

/V

1

)= –8,314·298ln0,5= +1717J (znak + bo sprężanie gazu); z I 

zasady q

A

= –w

A

= –1717J; ponieważ przemiana jest odwracalna i izotermiczna, ∆S

A

=q

A

/T

1

= –1717/298=  –5,76  J/K; 

∆G

A

=  ∆H

A

 –T

1

∆S

A

 = 0 –298·(–5,76) = +1717 J (nawet liczyć nie trzeba). Tę ostatnią funkcję można też wyliczyć 

z różniczki dG=VdP –SdT. Wyjdzie to samo. 
 
Przemiana B: 
∆U

B

= q

B

= C

v

(T

3

–T

2

)=1,5R·(149 – 298)= –1858,2  J;  ∆H

B

= C

p

(T

3

–T

2

)=κ·∆U

B

=5/3·(–1852,8)= –3087 J;  w  izochorze 

praca objętościowa w

B

= 0; zmiana entropii ∆S

B

= C

v

ln(T

3

/T

2

) = 1,5Rln½ = –8,64 J/K; ∆G

B

 nie liczymy, ponieważ tego 

od nas nie żądają. Przy dostępnych w zadaniu danych byłoby to jednak dla izochory niemożliwe bez znajomości abso-
lutnych wartości entropii przynajmniej w jednym ze stanów (2 lub 3). 
 
Aby odpowiedzieć na pytanie dodatkowe, nie trzeba już wykonywać żadnych obliczeń.  
Energia wewnętrzna: 
Proces A+B prowadzi od takiego samego stanu początkowego 1 do końcowego 3, jak proces C, zatem zmiana funkcji 
stanu, jaką jest energia wewnętrzna, musi być taka sama w obu procesach, jest bowiem niezależna od drogi przejścia 
ze stanu 1 do stanu 3. ∆U

C

= ∆U

A+B

 = ∆U

A

 + ∆U

B

 

Praca: 
Praca nie jest funkcją stanu, wiemy jednak, że jest całką z –PdV od stanu początkowego do końcowego, czyli na wykre-
sie P–V polem pod krzywą P=f(V). Znak pracy kompresji jest dodatni (układ zyskuje energię na sposób pracy). Widać 
zatem z wykresu że w

C

<w

A+B

 lub w

C

<w

A

 + w

B

  a właściwie to w

C

<w

A

, bo przecież w

B

=0. 

Ciepło: 
Ciepło też nie jest funkcja stanu. Jeśli jednak ∆U

C

= ∆U

A+B

 i w

C

<w

A+B

, to ponieważ (I zasada) ∆U

C

 = q

C

 + w

C

 oraz 

∆U

A+B

 = q

A+B

 + w

A+B

, to musi być q

C

>q

A+B

. Jednak jeśli uwzględnimy wartości bezwzględne, to |q

C

|<|q

A+B

|. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Komentarze do zadań © W. Chrzanowski, Gdańsk 2006