Transcript Prezentacja 2 - INF-WLF

Treści multimedialne - kodowanie,
przetwarzanie, prezentacja
Odtwarzanie treści multimedialnych
Andrzej Majkowski
informatyka +
1
Efekty energetyczne i ich
wpływ na przebieg reakcji
chemicznej
Robert Mojsa
2
Pojęcia podstawowe
Układ – w uproszczeniu to ciała (np. substancje chemiczne),
które ulegają przemianom. Wszystko to, co znajduje się
poza układem nosi nazwę otoczenia.
Rodzaje układów:
•
układ otwarty – bez ograniczeń wymienia masę i energię
z otoczeniem (np. cynk reagujący z kwasem solnym
w otwartej probówce)
•
układ zamknięty – wymienia z otoczeniem tylko energię
(np. cynk reagujący z kwasem solnym w zamkniętej korkiem
probówce)
•
układ izolowany – nie ma możliwości wymiany ani masy,
ani energii z otoczeniem (np. reakcja cynku z kwasem
solnym zachodząca termosie)
3
Pojęcia podstawowe
Parametry stanu – zestaw niezależnych wielkości fizycznych
jednoznacznie określających stan układu. Należą do nich
np. ciśnienie, temperatura, objętość, liczność materii (liczba
moli) składników, stężenie składników.
Dla
jednoskładnikowego układu gazowego ciśnienie p,
objętość V, liczba moli n i temperatura w skali bezwzględnej
T pozostają w związku opisanym równaniem Clapeyrona:
pV = nRT
gdzie R to stała gazowa równa w przybliżeniu 8,31 [J/mol∙K]
Funkcja stanu – wielkość fizyczna zależną jedynie od
parametrów stanu. Jej zmiana podczas przebiegu procesu
nie zależy od jego drogi. Zmiana wartości funkcji stanu jest
różnicą pomiędzy jej wartością w stanie końcowym
i początkowym układu.
4
Energia wewnętrzna
Energia całkowita układu (Ec) jest sumą trzech rodzajów
energii: energii kinetycznej Ek, związanej z ruchem układu
jako całości, energii potencjalnej Ep w polu grawitacyjnym
Ziemi oraz energii wewnętrznej U. Energia kinetyczna
i potencjalna są obiektem badań mechaniki klasycznej,
a energia wewnętrzna jest obiektem badań termodynamiki.
Ec  Ek  E p  U
Energia wewnętrzna (U) to suma wszystkich rodzajów energii
zawartych w układzie. W jej skład wchodzą m.in. energia
kinetyczna
ruchu
postępowego
cząsteczek,
energia
oddziaływań międzydrobinowych, energia wiążąca składniki
jąder
atomowych,
energia
elektronów
w
polu
elektrostatycznym jąder atomowych itp.
5
Pierwsza zasada termodynamiki
W myśl pierwszej zasady termodynamiki energia wewnętrzna
układu makroskopowego jest funkcją jego makroskopowych
parametrów stanu.
U  f ( p,V , T ,...)
Metodami termodynamiki nie potrafimy wyznaczyć bezwzględnej
wartości energii wewnętrznej i dlatego interesują nas jedynie
jej zmiany ΔU. Energia wewnętrzna jest więc funkcją
stanu, a jej zmiana jest różnicą wartości w stanie
początkowym (1) i końcowym (2)
U  U 2  U1
Dla układu izolowanego energia wewnętrzna jest wartością
stałą:
U  const .
U  0
6
Jak zmienić energię wewnętrzną?
Zmiana energii wewnętrznej układu może nastąpić w rezultacie
wymiany energii między układem a otoczeniem na
sposób ciepła Q lub pracy W. Ani praca, ani ciepło nie są
rodzajami energii, a tylko sposobami jej przekazywania.
Poszczególne przekazy energii zachodzą w obu kierunkach,
ale wypadkowy strumień energii przepływa w jedną stronę:
od ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze
niższej.
Bilans zmiany energii wewnętrznej przedstawia równanie:
U  W  Q
Oznacza ono, że zmiana energii wewnętrznej układu jest sumą
algebraiczną energii wymienionej między układem a
otoczeniem na sposób pracy i na sposób ciepła.
7
Jak zmienić energię wewnętrzna?
Konwencja termodynamiczna energii przekazywanej na
sposób ciepła lub pracy: energia przekazywana na
sposób ciepła lub pracy z otoczenia do układu
uwzględniana jest w bilansie energetycznym ze
znakiem
„+”,
zaś
w
odwrotnym
kierunku
ze znakiem „ – ”.
8
Warunki prowadzenia procesu
Warunki izotermiczne (T = const.), czyli przebiegające w stałej
temperaturze. W większości reakcji temperatura ulega
zmianie, dlatego wystarczy spełnienie warunku równości
temperatury początkowej i końcowej:
Tp  Tk
Warunki izobaryczne (p = const,) czyli przy stałości ciśnienia
Warunki izochoryczne (V = const.) stałość objętości
Warunki adiabatyczne – wykluczają wymianę ciepła
z otoczeniem. W przemianie prowadzonej w warunkach
adiabatycznych ulegają zmianie wszystkie trzy parametry p,
T, V.
9
Entalpia
Zmianę energii wewnętrznej układu zamkniętego w warunkach
izobarycznych można przedstawić równaniem:
U  Q  pV
Do opisu efektów cieplnych reakcji przebiegających pod stałym
ciśnieniem stosuje się funkcję termodynamiczną zwaną
entalpią H:
H  U  pV
H  U  pV
Jeśli jedyną pracą wykonywaną przez układ lub nad układem
jest praca zmiany objętości, to efekt cieplny reakcji jest
równy zmianie entalpii układu ΔH.
Podczas przemiany izobarycznej (p = const.) zmiana entalpii
między początkowym a końcowym stanem układu jest
równa ciepłu tej przemiany
Qp  H
10
Rodzaje reakcji
Efekt energetyczny reakcji zależy od różnicy energii wewnętrznej
produktów o substratów
Ze względu na efekt energetyczny da się rozróżnić reakcje
egzoenergetyczne i endoenergetyczne.
Reakcja egzoenergetyczna
Reakcja endoenergetyczna
Następuje przekazanie energii przez Następuje pobranie
reagenty do otoczenia
reagenty z otoczenia
energii
przez
Suma energii wewnętrznej produktów Suma energii wewnętrznej produktów
jest mniejsza niż suma energii jest większa niż suma energii
wewnętrznej substratów ΔU<O
wewnętrznej substratów ΔU>O
Sumaryczna
energia
wiązań
produktów
jest
większa
od
sumarycznej
energii
wiązań
substratów (dla reakcji w fazie
gazowej)
Sumaryczna
energia
wiązań
produktów
jest
mniejsza
od
sumarycznej
energii
wiązań
substratów (dla reakcji w fazie
gazowej)
11
Różne formy wymiany energii w reakcjach
1. Energia cieplna – w reakcjach termochemicznych
(egzo- i endoenergetycznych), np. reakcja spalania
węgla.
2. Energia
elektryczna
–
w
reakcjach
elektrochemicznych (w ogniwach i podczas elektrolizy)
np. reakcja elektrolizy NaOH.
3. Energia promienista – w reakcjach przebiegających
pod wpływem działania kwantów światła (reakcje
fotochemiczne),
np.
rozkład
AgBr
w
kliszy
fotograficznej.
4. Energia mechaniczna – w postaci fal dźwiękowych,
np. w sonochemicznej reakcji rozpadu HI.
12
FILM
Przykłady reakcji egzotermicznych:
•
spalanie żelaza
•
termiczny rozkład dichromianu (VI) amonu
(chemiczny „wulkan”)
13
FILM
Reakcja endotermiczna:
•
Termiczny rozkład proszku do pieczenia
14
Równania termochemiczne
Równanie termochemiczne – równanie reakcji chemicznej lub
procesu
fizykochemicznego,
uwzględniające
efekt
energetyczny przemiany. Przykłady:
4Fe (s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s),
N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g),
2HgO(s) → 2Hg(c) + O2(g),
ΔH0 = - 1644 kJ
ΔH0 = - 92,4 kJ
ΔH0 = + 180,4 kJ
Równanie termochemiczne powinno zawierać:
• informację o stanie skupienia reagentów: (g) – stan gazowy,
(c) – stan ciekły, (s) – stan stały
• warunki prowadzenia pomiaru: izobaryczne (p = const.) lub
izochoryczne (V = const.)
15
Równania termochemiczne
Warunki standardowe (oznaczenie górnego indeksu jako 0 )
oznacza, że reagenty znajdują się w stanach standardowych:
są substancjami czystymi pod ciśnieniem p = 1013 hPa
(często przyjmuje się p = 1000hPa) i w temperaturze
T = 298K
Dla warunków izochorycznych efektem energetycznym reakcji
jest zmiana energii wewnętrznej ΔU, czyli ciepło reakcji przy
stałej objętości
W równaniach termochemicznych podaje się zwykle wartość
entalpii reakcji ΔH. Podana wartość efektu energetycznego
odpowiada
molowej
liczby
reagentów
zapisanych
w równaniu reakcji. Efekt energetyczny zależy więc od liczby
moli reagentów, które uległy przemianie. Np..:
CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)
ΔH0 = + 1207,1 kJ
2CaCO3(s) → 2CaO(s) + 2CO2(g) ΔH0 = + 2414,2 kJ
16
Równania termochemiczne
Prawo Lavoisiera-Laplace’a: znak efektu cieplnego
reakcji chemicznej zależy od kierunku jej przebiegu,
czyli efekt ten jest równy efektowi cieplnemu reakcji
odwrotnej z przeciwnym znakiem. Przykład:
CaCO3(s) → CaO(s) + CO2 (g), ΔH0 = + 1207,1 kJ
CaO(s) + CO2 (g) → CaCO3(s), ΔH0 = - 1207,1 kJ
17
Reakcje egzo- i endotermiczne
Reakcja
egzotermiczna
to
taka
reakcja,
która
prowadzona w warunkach izotermiczno-izobarycznych
skutkuje przekazaniem energii na sposób ciepła
z układu reagentów do otoczenia. W tej reakcji imamy
więc Q<0, czyli ΔH<0 dla warunków izobarycznych lub
ΔU<0 dla warunków izochorycznych.
Reakcja endotermiczna to taka reakcja, która
prowadzona w warunkach izotermiczno-izobarycznych
skutkuje przekazaniem energii na sposób ciepła
z otoczenia do układu. Q>0, czyli ΔH>0 dla warunków
izobarycznych
lub
ΔU>0
dla
warunków
izochorycznych.
18
Rodzaje entalpii
0
Molowa entalpia tworzeniaH tw
zmiana entalpii układu, gdy
jeden mol danej substancji powstaje z pierwiastków
znajdujących się ich stanach podstawowych, w najtrwalszej
formie. Entalpia tworzenia pierwiastków w ich najtrwalszej
formie jest równa 0.
Molowa entalpia spalaniaH sp ciepło reakcji spalania (w
warunkach izobarycznych) jednego mola związku do
określonych
produktów.
W
przypadku
związków
organicznych jest to najczęściej gazowy dwutlenek węgla
i ciekła woda, azot, tlenki azotu czy dwutlenek siarki.
0
Entalpie przejść fazowych (topnienia, parowania, skraplania,
sublimacji, rozpuszczania i inne).
19
Rodzaje entalpii
Standardowa entalpia dowolnej reakcji H r0 zmiana
entalpii układu w wyniku reakcji opisanej danym
równaniem chemicznym i zachodzącej w określonej
temperaturze w warunkach standardowych. Jest to
różnica pomiędzy sumą standardowych entalpii
tworzenia produktów i sumą entalpii tworzenia
substratów.
H r0 
0
n


H

tw 
produkty
0
n


H

tw
substraty
n – liczba moli reagenta
20
Prawo Hessa
Efekt cieplny reakcji prowadzonej w warunkach
izochorycznych lub izobarycznych (dla których
wykonywana jest tylko praca objętościowa) nie
zależy od drogi przemiany, lecz tylko od stanu
początkowego i końcowego.
Prawo to umożliwia obliczenie efektów energetycznych
reakcji, które są trudne lub wręcz niemożliwe do
bezpośredniego przeprowadzenia.
21
Prawo Hessa
Przykład. Oblicz entalpię tworzenia etanolu z pierwiastków
wiedząc, że standardowe entalpie spalania węgla (1), wodoru
(2) i etanolu (3) wynoszą odpowiednio: ΔH10 = -393,5
kJ/mol, ΔH20 = -285,8 kJ/mol, ΔH30 = -1366,8 kJ/mol.
I.
Zapis
równań
energetycznego
reakcji
spalania
oraz
ich
efektu
C(s) + O2(g) → CO2(g)
ΔH10 = -393,5 kJ/mol (1)
H2(g) + 0,5O2(g) → H2O (c)
ΔH20 = -285,8 kJ/mol (2)
C2H5OH (c) + 3O2 (g) → 2CO2(g) + 3H2O (c), ΔH30 = -1366,8 kJ/mol (3)
II.
Zapis reakcji otrzymywania etanolu z pierwiastków
2C(s) + 3H2(g) + 0,5O2(g) → C2H5OH (c)
ΔHx0 = ?
(4)
22
Prawo Hessa
Przekształcenie równań (1), (2) i (3), aby otrzymać równanie (4).
W praktyce oznacza to:
Pomnożenie reakcji (1) przez 2, reakcji (2) przez 3 oraz
odwrócenie reakcji (3) czyli pomnożenie jej przez -1. W takiej
samej proporcji zmieniają się też entalpie tych reakcji.
(1)·2:
2C(s) + 2O2(g) → 2CO2(g)
2ΔH10 = 2·(-393,5) kJ/mol
(2)·3:
3H2(g) + 1,5O2(g) → 3H2O (c)
3ΔH20 = 3·(-285,8) kJ/mol
(3)·(-1): 2CO2(g) + 3H2O(c)→C2H5OH(c) + 3O2 (g) (-1)·ΔH30 = (-1)∙(1366,8) kJ/mol
Zsumowanie entalpii wszystkich reakcji daje szukaną entalpię:
ΔHx0 = 2·(-393,5) kJ/mol + 3·(-285,8) kJ/mol + (-1)∙(-1366,8) kJ/mol =
-277,6 kJ.
23
FILM
Mieszanie gazów. Entropia.
24
Druga zasada termodynamiki
W procesach przebiegających samorzutnie w kierunku
osiągnięcia przez układ stanu równowagi rośnie liczba
sposobów podziału energii na drobiny układu oraz
maleje zdolność układu do wykonania pracy na
zewnątrz układu.
Entropia – jest miarą rozkładu energii w układzie. Jest
tym większa, im szerszy jest ten rozkład.
25
Druga zasada termodynamiki
Entropia w ujęciu termodynamiki statystycznej:
S  k B ln W
R
kB 
NA
W – prawdopodobieństwo termodynamiczne, tj. liczba
sposobów podziału energii wewnętrznej układu na
istnięjącą liczbę drobin.
kB – stała Boltzmana, czyli iloraz stałej gazowej R oraz
liczby Avogadra, kB = 1,38·10-23 J/K
26
Druga zasada termodynamiki
Entropia w ujęciu termodynamicznym:
Q
S 
T
Zmiana
entropii
jest
równa
stosunkowi
energii
wymienionej na sposób ciepła w odwracalnym procesie
izotermicznym oraz temperatury bezwzględnej układu.
Wzór ten ma zastosowanie
odwracalnych !
tylko
dla
procesów
Q – energia wymieniona na sposób ciepła w odwracalnym
procesie izotermicznym
T – temperatura bezwzględna układu
27
Trzecia zasada termodynamiki
W temperaturze zera bezwzględnego T = 0 K
entropia substancji o idealnej krystalicznej
strukturze równa jest zero.
Podwyższanie temperatury skutkuje zwiększeniem energii
atomów i jonów oraz większym rozkładem energii
w układzie (wzrost entropii).
Entropia zwiększa się w szeregu: ciało stałe, ciecz, gaz.
Wartość entropii w przypadku, gdy T > 0 jest różna dla
różnych
substancji,
jak
również
dla
odmian
alotropowych tego samego pierwiastka.
28
Wartość opałowa gazów
Wartość opałowa gazu jest to efekt cieplny powstający
w wyniku spalenia 1 m3 gazu (zmierzonego w warunkach
normalnych).
Zadanie
Obliczyć wartość opałową gazu ziemnego składającego się z 90%
objętości metanu CH4, 5% objętości etanu C2H6 i 5% objętości
azotu.
Rozwiązanie: Obliczając wartość opałową gazu, efekt cieplny reakcji
spalania odnosimy do 1 m3 = 1000 dm3 gazu zmierzonego
w warunkach normalnych. Należy obliczyć liczbę moli składników
gazu wiedząc, że objętość 1 mola każdego gazu w warunkach
normalnych wynosi 22,4 dm3.
• 90% CH4: 900 dm3 /22,4 dm3 = 40,1 mola
• 5% C2H6: 50 dm3/22,4 dm3 = 2,2 mola
• 5% N2: azot jako gaz niepalny pomijamy w obliczeniach
29
Wartość opałowa gazów
1 etap: Obliczamy molową entalpię spalania metanu wg reakcji:
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(c)
Zgodnie z prawem Hessa:
ΔH reakcji = Σ n ΔH produktów - Σ n ΔH substratów
ΔH reakcji = (-393 kJ – 2 · 285 kJ) - (-75 kJ) = -888 kJ
2 etap: Obliczamy molową entalpię spalania etanu wg reakcji:
C2H6(g) + 7/2O2 (g) → 2CO2 (g) + 3H2O(c)
ΔH reakcji = (-2 ∙393 kJ – 3 ·285 kJ) - (-85 kJ) = -1556 kJ
3 etap: Obliczamy wartość opałową gazu sumując efekty cieplne
poszczególnych reakcji, z
uwzględnieniem liczby moli spalanych składników gazu:
W = 40,1· (-888) + 2,2 ·(-1556) = -39032 kJ
Odpowiedź:
Wartość
opałową
gazu
ziemnego
wyrażamy
w jednostkach MJ/m3 wynosi -39,03 MJ/m3.
30
Wartość opałowa gazów
Zadanie
W oparciu o obliczenia z poprzedniego zadania wyprowadź wzór
na wartość opałową 1 m3 gazu ziemnego (W) w warunkach
normalnych. Przyjmij, że objętość mola gazu w warunkach
normalnych wynosi 22,4 dm3. Gaz ten ma w swoim składzie
zawierać wyłącznie: metan CH4, etan C2H6 oraz propan C3H8.
Wzór ten wprowadź do arkusza kalkulacyjnego Excel i
dokonaj obliczeń dla różnych zawartości objętościowych
metanu (% metanu), etanu (% etanu) i propanu (% propanu).
a) % metanu = 90 %, % etanu = 8%, % propanu = 2%
b) % metanu = 85 %, % etanu = 10%, % propanu = 5%
c) % metanu = 80 %, % etanu = 13%, % propanu = 7%
31
Wartość opałowa gazów
Podział klasy na 3 grupy po ok. 6-8 osób
Zadanie dla Grupy 1
Znajdź w źródłach internetowych skład chemiczny gazu
LPG wg polskiej normy PN-C-96008-1998 i ustal jego
wartość opałową.
Zadanie dla Grupy 2
Korzystając ze stron internetowych oblicz wartość opałową
gazu ziemnego typu E.
Zadanie dla Grupy 3
Co to jest gaz koksowniczy? Znajdź w Internecie jego skład
i oblicz przybliżoną wartość opałową.
32
Wartość opałowa gazów
Panel dyskusyjny
Podsumowanie wyniku dyskusji w postaci tabeli:
Rodzaj gazu
WARTOŚĆ
OPAŁOWA
POZYSKIWANIE
ZASTOSOWANIE
SKŁAD
PROCENTOWY
LPG
GAZ ZIEMNY
TYPU E
GAZ
KOKSOWNICZY
33
Treści multimedialne - kodowanie,
przetwarzanie, prezentacja
Odtwarzanie treści multimedialnych
Andrzej Majkowski
informatyka +
34