background image

1.

 5/R moli neonu (gazu doskonałego jednoatomowego) wykonuje odwracalny cykl przemian 

pokazany na wykresie. Praca wykonana przez gaz na drodze 1→2 wynosi –1000 J. Na drodze 

3→1 gaz nie wymienia ciepła z otoczeniem. Oblicz q, w, ∆U, ∆H dla każdego etapu i całego 

cyklu oraz określ, z jakiego typu przemianą mamy do czynienia w każdym etapie. 

 

 

Rys. 1

 

 

Zastanówmy się najpierw nad typem wszystkich przemian. Droga 23 to oczywiście izochora  

(V = const), a droga 31 to adiabata (q = 0). Na drodze 12 stały jest iloraz V/T, zatem jest to 

izobara (P = const). Po tych wstępnych ustaleniach sporządźmy tabelkę, umieszczając w niej 

wszystkie dane, które już znamy z warunków zadania (pogrubione, kursywa oznacza wartości 

obliczone później): 

stan 

P [Pa] 

V [m

3

]  T [K] 

 

droga 

typ 

q [J] 

w [J] 

∆U [J] 

∆H [J] 

2,5

.

10

5

 

2

.

10

-3

 

100 

 

1→2 

izobara 

2500 

-1000 

1500 

2500 

2,5

.

10

5

 

6

.

10

-3

 

300 

 

2→3 

izochora 

-1890 

-1890 

-3150 

4,0

.

10

4

 

6

.

10

-3

 

48 

 

3→1 

adiabata 

390 

390 

650 

 

 

 

 

 

cykl 

--- 

610 

-610 

Ciśnienie w stanach 1 i 2 obliczymy natychmiast z równania stanu gazu doskonałego: P

= nRT/V

(5/R)

.

R

.

100/2

.

10

-3

 = 2,5

.

10

5

 [Pa]. Mając P

obliczymy od razu V

2, 

gdyż V

= nRT/P

= (5/R)

.

R

.

300/2,5

.

10

5

 

= 6

.

10

-3

 [m

3

]. Bardziej skomplikowane jest obliczenie P i T w stanie 3. Należy skorzystać z równania 

adiabaty odwracalnej (równania Poissona): P

1

V

1

κ

 

= P

3

V

3

κ

 

= const. Stąd P

3

 = P

1

(V

1

/V

3

)

κ

. Stosunek 

molowych pojemności cieplnych dla gazu doskonałego jednoatomowego κ = (C

P

/C

V

) = 5/3, ponieważ 

C

V

 = 3/2 R, a C

P

 = 5/2 R. Zatem P

3

 = 2,5

.

10

5.

(2

.

10

-3

/6

.

10

-3

)

(5/3)

 = 4,0

.

10

4

 [Pa]. Pozostaje ostatni 

parametr, czyli T

3

. Z równania stanu T

3

 = P

3

V

3

/(nR) = 4,0

.

10

4.

6

.

10

-3

/((5/R)

.

R) = 48 [K]. Tabelka 

pierwsza jest kompletna... 

background image

Ponieważ nasz układ jest gazem doskonałym, zatem jego U i H zależą wyłącznie od temperatury, co 

znakomicie ułatwia obliczenia. Korzystamy oczywiście z zależności U = n

.

C

V

.

T oraz H = n

.

C

P

.

T. 

Stosując je do każdego etapu wypełniamy odpowiednie miejsca w tabelce drugiej, a na końcu na 

wszelki wypadek sprawdzamy, czy dla cyklu U = 0 oraz H = 0. Wszystko się zgadza, więc od razu 

(na mocy U = q + w) możemy podać q

1

 = 2500 [J] i w

3

 = 390 [J]. Pamiętając, że praca objętościowa 

dla przemiany izochorycznej wynosi 0, dostajemy też q

2

 = -1890 [J]. Po podsumowaniu q i w dla 

całego cyklu widzimy, że gaz wykonał pracę 610 J, pobierając z otoczenia 610 J ciepła. 

 

 

2.

 Oblicz ∆U reakcji: C

(grafit)

 + H

2

O

(g)

 = CO

(g)

 + H

2,(g)

. Entalpia tworzenia CO

2,(g)

 wynosi –405,68 

kJ

.

mol

-1

, a entalpie spalania CO

(g)

 i H

2(g)

 odpowiednio –284,34 kJ

.

mol

-1

 i –242,92 kJ

.

mol

-1

 

Wypiszmy wszystkie reakcje składowe, których dane termochemiczne podano w zadaniu, a następnie 

zastanówmy się, jak „zbudować” z nich reakcję, której energii poszukujemy. 

(1) 

C + O

2,(g)

 = CO

2,(g)

  

 

tw

H

o

 = –405,68 kJ

.

mol

-1

 

(2) 

CO

(g)

 + ½O

2,(g)

 = CO

2,(g)

   

sp

H

o

 = –284,34 kJ

.

mol

-1

 

(3) 

H

2,(g)

 + ½O

2,(g)

 = H

2

O

(g)

    

sp

H

o

 = –242,92 kJ

.

mol

-1

 

Widaćże w reakcji żądanej zarówno tlenek węgla, jak i wodór znajdują się po prawej stronie, zaś 

grafit i woda – po lewej. Odwracamy więc bieg reakcji (2) i (3) (pamiętając o zmianie znaku H przy 

takiej operacji!): 

(1) 

C + O

2,(g)

 = CO

2,(g)

  

 

∆H

o

(1) = –405,68 kJ

.

mol

-1

 

(2) 

CO

2,(g)

 = CO

(g)

 + ½O

2,(g)

   

∆H

o

(2) = +284,34 kJ

.

mol

-1

 

(3) 

H

2

O

(g)

 = H

2,(g)

 + ½O

2,(g)

   

∆H

o

(3) = +242,92 kJ

.

mol

-1

 

 

= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 

 

(Σ) 

C + H

2

O

(g)

 = CO

(g)

 + H

2,(g)

 

∆H

o

 = ∆H

o

(1) + ∆H

o

(2) + ∆H

o

(3) = 121,58 kJ 

mol

-1

 

Podsumowanie jest oczywiście związane z zastosowaniem prawa Hessa. Pozostaje jeszcze 

przeliczyć zmianę entalpii na zmianę energii wewnętrznej, biorąc pod uwagę zmianę liczby moli 

reagentów gazowych (n

(g)

 = 2 – 1 = 1 mol): 

U = H – n

(g)

RT = 121,58 – 1

.

8,314

.

298

.

10

-3

 = 119,1 kJ

.

mol

-1

 

 

 

3.

 Oblicz zmianę entropii zachodzącą w procesie krzepnięcia przechłodzonego benzenu w temp. 

268,2 K. Entalpia topnienia C

6

H

6

 w normalnej temperaturze przemiany (278,6 K) wynosi 9960 

J

.

mol

-1

. Molowe pojemności cieplne pod stałym ciśnieniem dla fazy stałej i ciekłej wynoszą 

odpowiednio 124 J

.

K

-1.

mol

-1

 i 127 J

.

K

-1.

mol

-1

. Czy proces krzepnięcia w temp. 268,2 K jest 

samorzutny? Jaki znak będzie miała entalpia swobodna krzepnięcia w temp. 285 K? 

 

 

background image

Entropia topnienia w normalnej temperaturze przemiany wynosi S

o

278,6

 = H

o

278,6

 /T = 9960/278,6 = 

35,75 J

.

K

-1.

mol

-1

 (bo H

o

 = q

odwr

). Do przeliczenia H

o

 i S

o

 na temperaturę 268,2 K należ

wykorzystać prawo Kirchhoffa. Potrzebną nam w tym celu wartość C

P

 znajdujemy z danych zadania, 

gdyż dla przemiany C

6

H

6,(s)

 = C

6

H

6,(c) 

C

= 127 – 124 = 3 J

.

K

-1.

mol

-1

. Następnie: 

H

o

268,2

  = H

o

278,6

  + 

268,2

278,6

 C

dT = 9960 + 3

.

(268,2 – 278,6) = 9928,8 J

.

mol

-1

, oraz: 

S

o

268,2

  = S

o

278,6

  + 

268,2

278,6

 C

(dT/T) = 35,75 + 3

.

ln(268,2/278,6) = 35,64 J

.

K

-1.

mol

-1

Krzepnięcie jest procesem odwrotnym do topnienia, zatem S

o

268,2

  = –35,64 J

.

K

-1.

mol

-1

O samorzutności procesu krzepnięcia powie nam znak G tego procesu: 

G

o

268,2

  = H

o

268,2

  – T

.

S

o

268,2

 = –9928,8 – 268,2

.

(–35,64) = –370,15 J

.

mol

-1

Ponieważ G

o

268,2

 < 0, więproces krzepnięcia w temperaturze 268,2 K jest samorzutny

W temperaturze 285 K (większej od normalnej temperatury topnienia) stanem stabilnym benzenu jest 

faza ciekła, tzn. proces krzepnięcia nie jest samorzutny. StąG

o

285

 > 0