Nội dung

GV. Lê Thị Xuân Hương Chương 5: Bộ môn Hóa – ĐHDL VĂN LANG NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 5.1. Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng 5.1.1. Hệ a/ Định nghĩa Hệ là một phần vũ trụ được nghiên cứu, xem xét, phần còn lại là môi trường. b/ Phân loại - Hệ cô lập: Là hệ không trao đổi chất và trao đổi năng lượng với môi trường. - Hệ kín: Là hệ không có trao đổi chất, song có thể trao đổi năng lượng với môi trường. - Hệ hở: Là hệ có trao đổi chất và trao đổi năng lượng với môi trường. 5.1.2. Trạng thái - Tham số trạng thái của hệ: là bất kỳ một thuộc tính nào (khếch độ hoặc cường độ) được sử dụng để mô tả trạng thái của hệ. + Thuộc tính khếch độ: là những thuộc tính phụ thuộc vào khối lượng, có tính cộng tính đối với hệ đồng nhất. VD: V, d, m… + Thuộc tính cường độ: là những thuộc tính không phụ thuộc vào khối lượng và không có cộng tính…VD: nhiệt độ, áp suất, tỉ khối, nồng độ. - Trạng thái cân bằng nhiệt động: là trạng thái có được khi các thuộc tính của hệ không thay đổi theo thời gian. 5.1.3. Hàm trạng thái Một hàm F(p,v,T…) được gọi là một hàm trạng thái nếu giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào các thông số trạng thái của hệ mà không phụ thuộc vào cách biến đổi của hệ. Điều này có nghĩa rằng nếu hệ chuyển từ trạng thái 1 (P1, V1, T1) sang trạng thái 2 (P2, V2, T2) thì  F = F2 – F1 chỉ phụ thuộc vào giá trị (P1, V1, T1) và (P2, V2, T2) chứ không phụ thuộc vào tính chất của quá trình biến đổi (thuận nghịch hay bất thuận nghịch). 5.1.4. Quá trình Quá trình nhiệt động: là mọi biến đổi xảy ra trong hệ mà có liên quan với sự biến thiên dù chỉ một tham số trạng thái của hệ. 5.1.5. Quá trình tự diễn biến và không tự diễn biến - Quá trình tự diễn biến là quá trình mà tự bản thân nó có thể xảy ra chứ không cần tiêu thụ năng lượng bên ngoài. VD: Sự tự khuếch các chất khí. - Ngược lại quá trình không tự diễn biến. Để cho quá trình này xảy ra thì ta phải cung cấp năng lượng cho hệ. 5.1.6. Quá trình cân bằng - Là quá trình mà trong suốt thời gian diễn biến của nó, trong hệ lúc nào cũng chỉ có những sai lệch vô cùng nhỏ so với trạng thái cân bằng. 1 2 5.1.7. Qua trình thuận nghịch và không thuận nghịch - Là quá trình có thể thực hiện theo chiều thuận và chiều nghịch và khi theo chiều nghịch hệ cũng như môi trường ngoài đều trở về đúng như trạng thái ban đầu, không có sự thay đổi nhỏ nào. Nếu ngược lại, đó là quá trình không thuận nghịch. Trang: 1 GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐHDL VĂN LANG - Trong tự nhiên, thường gặp các quá trình không thuận nghịch, còn quá trình thuận nghịch hoàn toàn không có theo một chiều. 5.1.8. Năng lượng a/ Định nghĩa Năng lượng là độ đo vận động các vật chất trong mọi biến đổi của nó từ dạng này sang dạng khác. b/ Phân loại Có nhiều dạng năng lượng: + Động năng: Dạng năng lượng đặc trưng cho một vật đang chuyển động Eđ = 1 mv 2 2 + Thế năng: Năng lượng mà hệ có được do vị trí của nó trong trường lực Et = mgh + Điện năng: Là năng lượng chuyển động của các tiểu phân tích điện ( electron, ion….) + Hóa năng: Là năng lượng gắn liền với quá trình biến đổi chất.  Năng lượng toàn phần của một hệ gồm:  Động năng của toàn bộ hệ  Thế năng do vị trí của hệ trong trường lực ngoài ⇒Tổng động năng và thế năng của hệ được gọi ngoại năng  Năng lượng dự trữ bên trong của hệ (nội năng) gồm : động năng các phân tử, năng lượng hút đẩy của các tiểu phân cấu tạo nên hệ, năng lượng hóa học, năng lượng hạt nhân…. 5.1.9. Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng. Sự tương đương giữa nhiệt và công a/ Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng - Năng lượng vũ trụ không đổi. Nếu một hệ nào đó giảm năng lượng thì năng lượng môi trường xung quanh phải tăng tương ứng. Khi một dạng năng lượng nào đó chuyển thành dạng khác thì phải có một quan hệ định lượng nghiêm ngặt. VD : Đương lượng cơ học : 1cal = 4,184J - Không thể sáng tạo ra năng lượng, không thể hủy diệt được năng lượng mà chỉ có thể chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác. b/ Sụ tương đương giữa nhiệt và công - Sự tương đương giữa nhiệt và công trong các chu trình có thể phát biểu như sau : Khi một hệ nhiệt động thực hiện một chu trình trong đó nó chỉ trao đổi năng lượng với bên ngoài dưới dạng nhiệt và công thì : Đây là quy ước về  Nếu nó nhận nhiệt (Q>0)thì nó sản công (A<0) cho bên ngoài  Nếu nó nhận công (A>0) thì nó nhường nhiệt (Q<0) cho bên ngoài dấu trong nhiệt động lực học  Nếu nó nhận nhiệt (Q<0)thì nó sản công (A<0) cho bên ngoài  Nếu nó nhận công (A>0) thì nó nhường nhiệt (Q>0) cho bên ngoài Đây là quy ước về dấu trong nhiệt hóa học Chú ý : Trong chương 5 này, chúng ta chỉ sử dụng quy ước về dấu trong nhiệt động lực học - Giữa những công và nhiệt lượng đó có một tỉ lệ xác định nghiêm ngặt không đổi : A - Q = J = const J : gọi là đương lượng cơ học của nhiệt Q, A : Nhiệt lượng và công mà hệ nhận được ⇒Sự không đổi của hệ số tỉ lệ J phản ánh sự tương đương về số lượng giữa công và nhiệt Trang: 2 GV. Lê Thị Xuân Hương Nếu Bộ môn Hóa – ĐHDL VĂN LANG 1 A (Jun) Thì J  4,1868 Q(Calo) Nếu A và Q đo cùng 1 đơn vị thì J = 1 ⇒ -A = Q ⇒ Không thể có động cơ vĩnh cửu loại 1 ( Là loại máy luôn sinh công mà không cần cung cấp năng lượng / nhận nhiệt) 5.1.11. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học - Nguyên lý một chính là sự áp dụng sự bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vào các hệ vĩ mô, có liên quan đến sự trao đổi nhiệt và công với môi trường ngoài. - Nếu hệ trao đổi năng lượng với bên ngoài dưới dạng nhiệt và công thì độ tăng nội năng của hệ ( độ tăng năng lượng của hệ) phả bằng đúng phần năng lượng chuyển từ ngoài vào hệ dưới dạng nhiệt Q, trừ phần năng lượng chuyển từ hệ ra ngoài dưới dạng công A (Sinh công) *Biểu thức toán học của nguyên lý I:  U= Q + A * Biểu thức vi phân của nguyên lý thứ nhất: Đối với một quá trình vô cùng nhỏ (quá trình nguyên tố). Khi hệ trao đổi với môi trường lượng to và lượng công vô cùng nhỏ, ta có: dU = Q  A 5.1.12. Nhiệt và hiệu ứng nhiệt của quá trình - Trong trường hợp chung, công do hệ thực hiện gồm: + Công giãn nở thể tích:  A = -pdV + Công có tích khác:  A’ Thì khi đó biểu thức vi phân của nguyên lý 1 sẽ được viết dưới dạng: dU = Q  pdV  A' - Nếu hệ không thực hiện công có ích thì  A’ = 0 ⇒ dU = Q  pdV (I) a/ Quá trình đẳng tích V = const ⇒ dV = 0 ⇒ dUv = Q v ⇒  Uv = Q v ⇒ Nếu phản ứng hóa học tiến hành trong điều kiện V = const thì toàn bộ lượng nhiệt do hệ thâu vào hay tỏa ra trong quá trình đẳng tích dung để làm tăng nội năng của hệ. + Nếu phản ứng thu nhiệt thì nội năng của hệ tăng: U  0 + Nếu phản ứng tỏa nhiệt thì nội năng của hệ giảm: U  0 b/ Quá trình đẳng áp: (p = const) ⇒ dU = Q p  pdV ⇒ Q p dU  pdV ⇒ Q p U  pV = (U2 – U1) + p(V2-V1) = (U2 + pV2) – (U1 + pV1) Đặt H = U + PV : Entanpi của hệ Trang: 3 GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐHDL VĂN LANG ⇒ Q p H ⇒ Trong điều kiện p = const, lượng nhiệt thu vào (hay tỏa ra) bằng biến thiên entanpi của hệ: + Nếu phản ứng thu nhiệt, entanpi của hệ tăng :  H > 0 + Nếu phản ứng tỏa nhiệt, entanpi của hệ giảm:  H< 0 - Hiệu ứng nhiệt của một quá trình hóa học: Là lượng nhiệt kèm theo phản ứng đó khi tiến hành trong quá trình không thuận nghịch nhiệt động, sao cho công có ích không được sinh ra. Khi đó hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học được xác định bằng độ thay đổi của U và H. + Trong phản ứng chỉ có mặt chất lỏng và chất rắn, ở đó sự thay đổi thể tích là không đáng kể thì H U + Trong phản ứng có chất khí thì: H U  nRT n : biến thiên số mol khí R = 1,987 cal/mol.độ = 8,314 J/mol.độ 5.1.13. Nhiệt dung - Nhiệt dung của một chất là lượng nhiệt cần dùng để nâng nhiệt độ của chất lên thêm 1 0 - Nhiệt dung riêng: là nhiệt dung của 1 gam chất - Nhiệt dung mol: là nhiệt dung của 1 mol chất + Nhiệt dung mol ở áp suất không đổi: Cp + Nhiệt dung mol ở thể tích không đổi: Cv  Đối với khí lý tưởng: Cp – Cv = R  Đối với chất rắn và chất lỏng: Cp ≃ Cv * Biểu thức:  H  C p    T  p U   và C v  T   v  Đối với 1 mol khí lý tưởng: dU = CvdT; dH = CpdT  Đối với n mol khí lý tưởng: dU = nCvdT; dH = nCpdT 5.1.14. Công và nhiệt trong một số quá trình (đối với khí lý tưởng) a/ Quá trình đẳng tích V = const ⇒ dV = 0 * Công giãn nở thể tích: A v = -pdv = 0 ⇒ Av = 0 * Nhiệt: Qv = dUv + pdV = CvdT Trong quá trình hữu hạn: T2 Q v  C v dT T1 Nếu Cv = const ⇒ Qv = Cv(T2 – T1) (1mol) b/ Quá trình đẳng áp p = const * Công : A p  pdV V2 pdV Quá trình hữu hạn : A p   V 1 ⇒ Ap = -p(V2 – V1) ⇒Ap = -p V Trang: 4 GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐHDL VĂN LANG + Đối với 1 mol khí lý tưởng : A p  RT + Đối với n mol khí : A p  nRT * Nhiệt : Q p dH p C p dT T2 Quá trình hữu hạn : Q p  C p dT T1 Nếu Cp = const ⇒ Qp = Cp(T2-T1) (1 mol khí) c/ Quá trình đẳng nhiệt T = const * Công : AT  pdV Đối với n mol khí : AT  nRT dV  nRTd ln V V V2 Quá trình hữu hạn : AT  nRTd ln V V1 = -nRT(lnV2 – lnV1) ⇒ AT  nRT ln V2 V1 Ở T = const ta có thể tích của khí lý tưởng tỉ lệ nghịch với áp suất hoặc nồng độ mol nên : V2 P1 C1   V1 P2 C 2 ⇒ AT  nRT ln V2 P C  nRT ln 1  nRT ln 1 V1 P2 C2 * Nhiệt : T = const thì nội năng của khí lý tưởng không đổi ⇒ QT = U  AT ⇒ QT = -AT nRT ln V2 P C nRT ln 1 nRT ln 1 V1 P2 C2 d/ Quá trình vừa đẳng áp , vừa đẳng nhiệt T, p = const * Công: AT , P  pdV Quá trình hữu hạn V2 ⇒AT,p =  pdV  pV V1 ⇒ AT , P  nRT *Nhiệt: QT, p = U  AT , P ⇒QT, p = -AT, p e/ Quá trình đoạn nhiệt ( Q = 0) * Công: Qđ,n = U đ ,n  Ađ ,n ⇒Ađ,n = U đ ,n Trang: 5 GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐHDL VĂN LANG T2 Mà dU = CvdT ⇒ U  C V dT T1 T2 ⇒ Ađ,n = C v dT T1 Nếu Cv = const ⇒ Ađ,n = Cv(T2 – T1) Hay Ađ,n =- Cv(T1 – T2) (1mol khí) 5.2. Nhiệt hóa học 5.2.1. Hiệu ứng nhiệt phản ứng - Hiệu ứng nhiệt phản ứng : là nhiệt lượng phát ra hay hấp thụ của một phản ứng hóa học. VD : Khi đốt than, nhiệt lượng tỏa ra, trái lại nung đá vôi là một phản ứng thu nhiệt. Ngành hóa học nghiên cứu hiệu ứng nhiệt các phản ứng, sự phụ thuộc hiệt ứng nghiệt vào thành phần, cấu tạo các tác chất cũng như điều kiện tiến hành phản ứng được gọi là nhiệt hóa học. - Phương trình nhiệt hóa học : là phương trình phản ứng có ghi nhiệt lượng phát ra hay thâu được. C + O2 = CO2 - 393,6kJ N2 + O2 = 2NO + 2 2,16kcal Nhiệt lượng có đơn vị kJ hay kcal (1kcal = 4,184kJ) - Thông thường việc đo nhiệt phản ứng được thực hiện trong điều kiện đẳng áp, khi đó ta có hiệu ứng nhiệt đẳng áp kí hiệu (biến thiên entanpi). - Chỉ một số trường hợp mới thực hiện được trong điều kiện đẳng tích: ta có hiệu ứng nhiệt đẳng tích (biến thiên nội năng). - Giữa hiệu ứng nhiệt đẳng áp với hiệu ứng nhiệt đẳng tích có mối liên hệ sau: H U  nRT ( n : biến thiên số mol khí) 5.2.2. Nhiệt tạo thành – Nhiệt phân hủy – Nhiệt đốt cháy * Nhiệt tạo thành một hợp chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ứng với trạng thái tự do bền vững nhất. H tt (CO2) = -94,05kcal VD: C(graphit) + O2(k) = CO2(k) Nhiệt tạo thành của các đơn chất bền ở điều kiện chuẩn được chấp nhận bằng 0 * Nhiệt phân hủy là nhiệt phản ứng phân hủy 1 mol chất đó tạo thành các đơn chất. H ph (H2O) = 68,3 kcal VD: H2O(l) = H2(k) + 1/2O2(k)  Định luật Lavoissier – Laplace « Nhiệt tạo thành và nhiệt phân hủy của cùng một chất bằng giá trị và ngược dấu » H tt (HI) = +6,2kcal VD: 1/2H2(k) + 1/2I2(r) = HI(k) H ph (HI) -6,2kcal HI(k) = 1/2H2(k) + 1/2I2(r) * Nhiệt đốt cháy là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy bằng O 2 một mol chất hữu cơ để tạo thành khí CO2 và nước lỏng ( và một vài sản phẩm khác). VD: C2H6(k) + 7/2O2(k) → 2CO2(k) + 2H2O(l) H = -372,82kcal  H Ta có: đc (C2H6) = -372,82kcal 5.2.3.Định luật Hess Năm 1840 G.I.Hess đã phát minh định luật căn bản của nhiệt hóa học. Trang: 6 GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐHDL VĂN LANG Nội dung: “ Nếu có nhiều cách để chuyển những chất ban đầu thành những sản phẩm cuối cùng giống nhau thì hiệu ứng nhiệt tổng cộng theo cách nào cũng như nhau” Nói khác đi: “ Hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của các chất đầu và sản phẩm chứ không phụ thuộc vào đường đi” VD: Có vài cách để chuyển 1 mol Na 0,5 mol H 2, 0,5 mol O2, thành 1 mol NaOH và hiệu ứng nhiệt tổng cộng của cách nào cũng bằng = -102,0kcal. Cách 1: Na(r) + 1/2O2(k) = 1/2Na2O2(r)  H1= -60,3kcal 1/2H2 (k) + 1/4O2(k) = 1/2H2O (l)  H2= -34,1kcal 1/2Na2O2 + 1/2H2O (l) = NaOH(r) + 1/4O2(k)  H3= -7,6kcal Tổng cộng: Na(r) + 1/2H2(k) + 1/2O2(k) = NaOH (r)  H= ? Ta có:  H = -60,3 - 34,1 – 7,6 = -102kcal Cách 2 : H2(k) + 1/2O2(k) = H2O(l) Na(r) + H2O(l) = NaOH (r) + 1/2H2(k)  H1 = -68,3kcal  H2 = -33,7kcal Tổng cộng: Na( r) + 1/2H2(k) + 1/2O2(k) = NaOH( r)  H = ? Ta có:  H = -68,3 – 37,7 = -102kcal CHÚ Ý : Entanpi của một chất được tính đối với một mol chất.Biến thiên entanpi tính được từ entanpi của các chất ở điều kiện chuẩn được gọi là biến thiên entanpi chuẩn và được kí hiệu là  H0 hoặc khi chú ý cả nhiệt độ nữa thì được kí hiệu là  H 0298 + Đối với các khí, trạng thái chuẩn là trạng thái của khí lí tưởng ở áp suất 1atm. + Đối với các chất rắn và chất lỏng, trạng thái chuẩn là trạng thái của chất tinh khiết. + Nhiệt độ thường được lấy là : 250C = 2980K. 5.2.4. Hệ quả của định luật Hess (1) Hiệu ứng nhiệt một phản ứng bằng tổng nhiệt tạo thành của các sản phẩm trừ tổng nhiệt tạo thành của các chất đầu ( có kể các hệ số).  H =Σ  Htt(sản phẩm) - Σ  Htt(tác chất) VD : CaCO3(r) = CaO (r) + CO2(k)  H =? Giải:  H =  Htt(CaO) +  Htt(CO2) -  Htt(CaCO3) = -151,9 - 94,1 + 288,5 = 42,5kcal ⇒ Nung vôi là quá trình thu nhiệt. (2) Hiệu ứng nhiệt phản ứng bằng tổng nhiệt đốt cháy của các chất đầu trừ tổng nhiệt đốt cháy của các sản phẩm ( có kể các hệ số).  H = Σ  Hđc(tác chất) - Σ  Hđc(sản phẩm) VD: CH3COOH(l) + C2H5OH(l) → CH3COOC2H5(l) + H2O(l)  H = ? ⇒  H =  Hđc(CH3COOH) +  Hđc(C2H5OH) -  Hđc(CH3COOC2H5) = -208,2 - 326,7 + 545,9 = 11kcal 5.2.5. Ứng dụng của định luật Hess Trang: 7 GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐHDL VĂN LANG (1) Tìm hiệu ứng nhiệt của một số phản ứng không thể xác định bằng thực nghiệm VD: C( r) + 1/2O2(k) = CO(k)  H1 = ? Than chì Biết: C( r) + O2 (k) = CO2 (k)  H = -94,1kcal Than chì CO(k) + 1/2O2(k) = CO2(k)  H2 = -67,7kcal Giải: Theo định luật Hess ta có:  H -  H2 =  H1 Vậy  H1 = -94,1 + 67,7 = -26,4kcal (2) Tìm nhiệt tạo thành của một chất VD: Tìm nhiệt tạo thành của rượu etylic từ các dữ kiện: C2H5OH(l) + 3O2(k) → 2CO2(k) + 3H2O(l)  H = -327kcal 0 -94kcal -68,3kcal  Htt=? Giải: Áp dụng hệ quả (1) của định luật Hess ta có:  H = 2(-94) + 3(-68,3) -  Htt(C2H5OH) = -327kcal Rút ra:  Htt(C2H5OH) = 2(-94) + 3(-68,3) - (-327) = -65,9kcal (3) Định năng lượng liên kết  H = Σ  Hlk(tác chất) – Σ  Hlk(sản phẩm) VD: Định năng lượng trung bình của các liên kết O-H trong phân tử nước, biết năng lượng liên kết HH và O=O tương ứng 435,9 và 498kJ. Khi đốt cháy 2 mol H2 tỏa ra 483 kJ Giải: 2H2(k) + O2(k) → 2H2O(k)  H = -483,68kJ ⇒ -483,68 = 2(+435,9) + 498,7 - 4*  Hlk(O-H) ⇒  Hlk(O-H) = ¼(2.435,9 + 498,7 + 483,68) = 463,545kJ (4) Xác định năng lượng mạng lưới của tinh thể. Năng lượng mạng ion là năng lượng tạo thành mạng tinh thể hợp chất từ các ion của trạng thái khí. VD: Năng lượng mạng ion của tinh thể NaCl chính là hiệu ứng nhiệt của phản ứng: Na+(k) + Cl-(k) = NaCl( r)  H = ? Từ các dữ kiện sau, ta có thể tính được năng lượng mạng ion của tinh thể NaCl: Nhiệt thăng hoa của Na: Na( r) = Na(k)  H1 = 20,64kcal Năng lượng liên kết Cl2: 1/2Cl2(k) = Cl(k)  H2 = ½*58kcal Ái lực với electron của clo: Cl(k) - e- = Cl-(k)  H3 = -83,17kcal Năng lượng ion hóa natri: Na(k) - e- = Na+(k)  H4 = +119,98kcal Năng lượng mạng ion: Na+(k) + Cl-(k) + NaCl( r)  H0 = ? Hiệu ứng nhiệt của phản ứng: Na( r) + 1/2Cl2(k) = NaCl( r)  H = -98,23kcal Trang: 8 GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐHDL VĂN LANG Theo định luật Hess ta có:  H1 +  H2 +  H3 +  H0 =  H 20,64 + ½*58 + (-83,17) + 119,98 +  H0 = -98,23 Từ đó ta có năng lượng mạng tinh thể ion muối ăn :  H0 = -184,68kcal 5.3. Chiều tự diễn biến của các quá trình 5.3.1. Entropi a/ Biểu thức  Q  dS    T  TN  Q  dS     T  KTN ⇒ ⇒ dS  Q T S  Q T  Q: Nhiệt lượng mà hệ phát ra hay thu vào trong quá trình ở nhiệt độ T   S: biến thiên entropi của hệ b/ Tính chất - Entropi S là một thuộc tính khếch độ của hệ, tương tự như nội năng, tức là nó có cộng tính, giá trị của nó phụ thuộc vào lượng chất. - Entropi S là một hàm trạng thái đơn trị, liên tục và hữu hạn của hệ. Điều này có nghĩa là biến thiên entropi của hệ trong mọi quá trình bất kỳ chỉ phụ thuộc và trạng thái đầu và cuối của hệ, không phụ thuộc vào đường đi. c/ Ý nghĩa * Ý nghĩa vật lý của entropi: Biến thiên của entropi là độ đo tính không thuận nghịch của quá trình trong những hệ cô lập. * Ý nghĩa thống kê của Entropi: - Entropi S của hệ tại mỗi trạng thái cân bằng đặc trưng cho xác suất nhiệt động W của trạng thái đó : S = klnW : Công thức Boltzman  k R : Hằng số Boltzman N * R : Hằng số khí * N : Số Av ô gađrô  W : xác suất nhiệt động  S : Entropi ⇒ Ý nghĩa thống kê của entrôpi là: Tính chất biến thiên một chiều của entrôpi trong hệ cô lập gắn liền với việc chuyển hệ từ trạng thái ít xác suất sang trạng thái nhiều xác suất hơn ( hay S là độ đo tính hỗn loạn, mất trật tự của hệ) 5.3.6. Entrôpi của hệ cô lập - Đối với hệ cô lập thì Q = 0 ⇒Q = 0 ⇒ dS ≥ 0 ⇒  Shệ cô lập ≥ 0 - Hệ cô lập gồm: vật khảo sát và nguồn nhiệt Trang: 9 GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐHDL VĂN LANG ⇒  S hệ cô lập =  Shệ khảo sát +  Snguồn ≥ 0  Đối với quá trình thuận nghịch:  Shệ cô lập = S2 – S1 = 0 ⇒ S2 = S1 = const  Đối với quá trình không thuận nghịch nhiệt động: ⇒  Shệ cô lập = S2- S1 > 0 ⇒ S2 > S1 Vậy “Entrôpi trong hệ cô lập chỉ có thể không đổi hoặc chỉ có thể tăng chứ không thể giảm” hay Entropi là độ đo tính không thuận nghịch của một quá trình” VD: * Khi ta bỏ vách ngăn thì khí sẽ khếch tán, chuyển động hỗn loạn ra (không thuận nghịch). Lúc này độ hỗn loạn tăng lên nên S tăng. * Khi các phân tử khí phân bố đều trong toàn hệ thì khi đó hệ đạt đến trạng thái cân bằng ⇒ Smax = const Khí Chân không - Các quá trình tự nhiên đều không thuận nghịch nên S là tiêu chuẩn về chiều diễn biến của quá trình và điều kiện cân bằng của hệ (Đang xét là hệ cô lập) + Điều kiện tự diễn biến: Tăng S + Điều kiện cân bằng: Smax = const 5.3.7. Biến thiên Entrôpi của một số quá trình thuận nghịch Q S    T  TN a/ Quá trình thuận nghịch đẳng nhiệt S  Q T Mà:  Q = dU –  A = CvdT + RTdlnV ⇒ dS = Q T dT + RdlnV T = Cv Đẳng nhiệt : dS = RdlnV V2 ⇒  S =  RdlnV V1 V2 V1 p1 = Rln p2 ⇒  S = Rln (1 mol khí) b/ Quá trình thuận nghịch đoản nhiệt Q=0 ⇒  Sđn = 0 c/ Quá trình thuận nghịch đẳng áp (p = const) dS  Q p T  C p dT T Trang: 10 GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐHDL VĂN LANG (  Qp = Cp.dT) dS: biến thiên entrôpi trong một quá trình vô cùng nhỏ T T dT  C p d ln T ⇒ S  C p T T T 2 2 1 1 Nếu Cp = const ⇒ S C p ln T2 (1mol khí) T1 d/ Quá trình thuận nghịch đẳng tích Q v C v dT  T T T2 T2 dT  C v d ln T ⇒ S  C v T T1 T1 dS  Nếu Cv = const ⇒ S C v ln T2 (1 mol khí) T1 (  Qv = Cv.dT) 5.3.8. Nguyên lý thứ ba nhiệt động lực học – Entrôpi tuyệt đối – Entrôpi chuẩn a/ Phát biểu nguyên lý III ( W.Nernst, 1864-1941) « Entrôpi của các chất nguyên chất dưới dạng tinh thể hoàn hảo ở không độ tuyệt đối bằng không » S→0 T→0 b/ Entrôpi tuyệt đối - Nguyên lý III cho phép tính entrôpi tuyệt đối của các chất nguyên chất ở bất kỳ nhiệt độ nào. - Giả sử nâng 1 mol của chất nguyên chất ở dạng tinh thể hoàn hảo từ 0K lên nhiệt độ T dưới áp suất không đổi 0 K → Tnc → Ts → T Nóng chảy Sôi Sự biến đổi entrôpi trong quá trình này sẽ là :  S = ST – S0 Tnc C p (rắn) H nc TS C p (lỏng) H S T C p (hơi) dT   dT   dT =   0 T Tnc Tnc T TS TS T Trong quá nóng chảy và sôi thì nhiệt độ sẽ không thay đổi * Ở 0K entrôpi của chất nguyên chất dưới dạng tinh thể hoàn hảo S0 = 0 Tnc C p (rắn) H nc TS C p (lỏng) HS T Cp (hơi) dT   dT   dT ⇒ ST =  0 T Tnc Tnc T TS TS T ST : được gọi là entrôpi tuyệt đối của chất nguyên chất ở nhiệt độ T và dưới áp suất p - Giá trị của entrôpi tuyệt đối trong các sổ tay hóa học là entrôpi tuyệt đối của 1 mol chất nguyên chất ở 2980K và dưới áp suất 101,325kPa tính bằng J.K-1.mol-1, được kí hiệu là S0298 c/ Entrôpi chuẩn Trang: 11 GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐHDL VĂN LANG Entrôpi S của chất thường được xác định trong những điều kiện nhất định thường người ta lấy giá trị của S ở nhiệt độ 250C = 2980K và áp suất 1 atm, trong đó khí được coi là khí lý tưởng, còn dung dịch được lấy ở nồng độ bằng đơn vị, và được kí hiệu là S0298 hoặc viết gọn là S. 5.3.9. Biến thiên Entrôpi của một phản ứng hóa học - Biến thiên entrôpi S của một phản ứng : «Tổng entrôpi của các sản phẩm phản ứng trừ đi tổng entrôpi của chất phản ứng »  S = ΣS(sản phẩm) - ΣS(chất phản ứng) VD1: Phản ứng: C(than chì) + CO2(k) = 2CO với S0298 của các chất là: 5,74 213,68 197,54 (J/mol.độ) 0 ⇒  S298 = 2.197,54 - (5,74 + 213,68) = 175,56(J/mol.độ) ⇒ Đây là một phản ứng làm tăng thể tích của hệ nên entrôpi tăng lên. VD2: Phản ứng H2(k) + 1/2O2(k) = H2O(k) với S0298 của các chất là: 130,52 205,04 188,72 (J/mol.độ) ⇒  S0298 = 188,72 - (130,52 + 205,04 ) 2 = -44,32(J/mol.độ) ⇒ Đây là phản ứng làm giảm thể tích của hệ nên entrôpi giảm xuống Chú ý: Entrôpi tuyệt đối S của một chất không bằng biến thiên entrôpi tạo thành S của chất đó 5.3.10. Chiều tự diễn biến của các quá trình – Thế đẳng áp hay năng lượng tự do Gibbs - Cho đến cuối thế kỷ 19, khi khái quát hóa các dữ kiện thực nghiệm về hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học, người ta thấy ở điều kiện nhiệt độ không đổi, chỉ những phản ứng tỏa nhiệt (  H<0) mới có khả năng tự diễn biến, còn các phản ứng thu nhiệt (  H>0) chỉ xảy ra khi được cung cấp năng lượng từ bên ngoài cho hệ. Từ đó Marcelin Berthelot phát biểu qui tắc: “ Các phản ứng hóa học chỉ tự diễn biến theo chiều tỏa nhiệt” - Còn thông qua đại lượng S lại thể hiện xu hướng tự diễn biến của quá trình là xu hướng phân bố hỗn loạn của các hạt (khuynh hướng đạt đến trạng thái có xác suất lớn nhất)  Vậy chiều tự diễn biến của các phản ứng hóa học được xác định bằng sự tác động tổng hợp của hai yếu tố: khuynh hướng chuyển đến trạng thái có năng lượng nhỏ nhất (giảm entanpi) và khuynh hướng đạt đến trạng thái có xác suất lớn nhất (tăng entrôpi). Xu hướng đó trong các quá trình hóa học xảy ra ở nhiệt độ và áp suất không đổi được thể hiện trong sự biến đổi một đại lượng gọi là entanpi tự do hoặc năng lượng Gibbs (G) (lấy tên nhà vật lý người Mĩ là W.Gibbs,1839-1903):  G =  H - T S ⇒  H =  G + T S ⇒ Nhiệt  H của bất kỳ quá trình nào đều gồm có hai phần:  G là phần nhiệt dùng để sinh công (thực hiện quá trình) và T  S là phần nhiệt không thể sinh công mà dùng để làm biến đổi entrôpi của hệ (Điều này làm sang tỏ nguyên lý II của nhiệt động lực học là nhiệt không thể biến hoàn toàn thành năng lượng cơ, điện, hóa học…mà luôn luôn còn lại một đại lượng không thể biến thành dạng năng lượng khác) Trang: 12 GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐHDL VĂN LANG * Nếu tất cả các chất phản ứng đều ở trạng thái chuẩn thì năng lượng Gibbs tạo thành của chất ở trạng thái chuẩn và được kí hiệu là  G0 hoặc G 0298 khi chú ý đến nhiệt độ. * Năng lượng Gibbs tạo tạo thành chuẩn của các đơn chất bằng không * Biến thiên năng lượng Gibbs của phản ứng bằng tổng năng lượng Gibbs tạo thàn của các sản phẩm phản ứng trừ đi tổng năng lượng Gibbs tạo thành của các chất phản ứng:  G = Σ G(sản phẩm) – ΣG(chất phản ứng) - Người ta chứng minh được rằng: “ Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi phản ứng tự diễn biến theo chiều giảm năng lượng tự do Gibbs”. Sự giảm năng lượng tự do Gibbs càng lớn thì quá trình diễn ra càng mạnh. Quá trình sẽ tự diễn ra cho đến khi hệ đạt trạng thái cân bằng, lúc đó năng lượng tự do đạt giá trị cực tiểu và không thay đổi nữa (nghĩa là  G = 0) * Ở nhiệt độ thấp (T nhỏ), T  S có thể bỏ qua ⇒  G ≃ H ⇒  G< 0 hay  H < 0 thì phản phát nhiệt tự diễn biến. Khi đó ta có qui tắc Berthelot : “Phản ứng tự diễn biến theo chiều tỏa nhiệt” * Ở nhiệt độ cao (T lớn), ta có : H  TS  G  TS  G  0 thì S  0 : « Phản ứng tự diễn biến theo chiều tăng entrôpi » * G 0 0 ⇒ H  TS . Vậy xác suất xảy ra phản ứng theo hai chiều là như nhau. ⇒ Cũng cần lưu ý rằng giá trị  G âm của phản ứng chỉ cho biết phản ứng có khả năng xảy ra. Về nguyên tắc để cho phản ứng xảy ra ta phải tăng tốc độ phản ứng bằng các yếu tố khác nhau. Động hóa học chính là học thuyết về tốc độ phản ứng hóa học. Vậy :  G< 0  G> 0  G= 0 Phản ứng tự xảy ra Phản ứng không tự xảy ra Hay hhản ứng tự xảy ra theo chiều ngược lại Hệ đạt trạng thái cân bằng Trang: 13