Задачи для решения

ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Сборник контрольных заданий для студентов первого курса химического факультета

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

Методические указания подготовлены кафедрой физической химии Института естественных наук

Составители: Л. Я. Гаврилова, Н. Е. Волкова, В. А. Черепанов

© Л. Я. Гаврилова, Н. Е. Волкова, В. А. Черепанов, 2015

© Уральский федеральный университет,

Утверждено учебно-методической комиссией Института естественных наук __ ______ 2015 г., протокол № __

Предисловие

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования к освоению основных образовательных программ бакалавриата по направлению подготовки «Химия».

Пособие содержит контрольные задания, предназначенные для закрепления теоретического материала и формирования практических навыков по дисциплине «Основы химической термодинамики». Каждый раздел начинается с теоретических вопросов, ответы на которые необходимо знать для самостоятельного решения задач.

Контрольные вопросы к семинару по теме

“Первое начало термодинамики ”

1. Дайте определения следующим понятиям:

a) термодинамическая система (изолированная, закрытая, открытая);

b) свойства системы (экстенсивные, интенсивные);

c) состояние системы, уравнение состояния;

d) процесс, циклический процесс;

e) внутренняя энергия системы;

f) теплота;

g) работа;

h) теплоемкость (истинная, средняя, общая, удельная, мольная).

2. Что такое параметры состояния? Являются ли теплота, работа, температура, давление, внутренняя энергия функциями состояния?

3. Приведите уравнение состояния системы на примере идеального газа. Каков физический смысл универсальной газовой постоянной R? Запишите ее значение в различных системах единиц (Дж/(моль´К), кал/(моль´К), л´атм/(моль´К)).

4. Сформулируйте первое начало термодинамики. Запишите аналитическое выражение. Поясните принятую систему знаков.

5. Выведите соотношения для вычисления теплоты, работы, изменения внутренней энергии для системы из n молей идеального газа в частных процессах (изотермическом, изохорическом, изобарическом, адиабатическом).

6. Каково соотношение между с_р и с_v для идеального газа?

ЗАДАЧИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ

1. В идеальном состоянии 1 моль газа изобарически нагревается от Т₁ до Т₂. Напишите формулу для расчета изменения энтальпии газа в этом процессе, если теплоемкость в данном интервале температур постоянна.

2. 140 г азота находятся при 400К и давлении 1 атм. Рассчитайте работу при изотермическом расширении газа (считая его идеальным) до объема 200 л.

3. Какое количество теплоты выделится при изотермическом сжатии 15 л идеального газа, первоначально находящегося при 36.8°С и 1 атм, если его объем уменьшится в 5 раз?

4. 106.5 г хлора находятся при температуре 273К и давлении 1 атм. Найти изменение внутренней энергии и теплоту при изохорическом уменьшении давления до 0.6 атм.

5. При температуре 273К и давлении 1 атм 5 л криптона нагревают до 873К при постоянном объеме. Определите конечное давление газа и количество теплоты, затраченное на нагревание.

6. 80 г кислорода при 27°С занимают объем 5 л. Найти работу и конечный объем кислорода при изобарическом охлаждении на 3°.

7. Вычислите работу расширения при нагревании 2 г воздуха от 273К до 274К при давлении 1 атм. Плотность воздуха считать равной 1.29 кг/м³.

8. Определить работу, совершенную 1 молем одноатомного идеального газа при адиабатическом расширении, если изменение температуры при этом составило –50°.

9. Определить работу при адиабатическом сжатии 0.01 м³ азота до 0.1 первоначального объема, если начальная температура азота 26.8°С и давление 1.013´10⁵Па.

10. При начальных условиях 300К и давлении 10 атм 8 г кислорода адиабатически расширяются до давления 1атм. Вычистите конечную температуру и работу, совершенную кислородом.

11. Сколько потребуется теплоты, чтобы повысить температуру 10 г аргона (С_V =3/2 R, M=39.9г/моль) на 10°С а) при постоянном объеме, б) при постоянном давлении?

12. Определите изменение энтальпии при нагревании 0.064 кг газообразного метилового спирта от 300 до 700К, пользуясь данными справочника.

13. Изобразите графически в координатах P-V, P-T, V-T термодинамический цикл, включающий последовательно следующие процессы: 1Þ2 – изотермическое расширение, 2Þ3 – изобарическое охлаждение, 3Þ1 – адиабатическое сжатие. Рассчитайте аналитически и графически работу, теплоту и изменение внутренней энергии цикла.

14. В каком из процессов расширения идеального газа от объема V₁ до объема V₂ работа будет больше: изотермическом или изобарическом? (Начальные условия обоих процессов Т₁ и Р₁ одинаковы).

15. Изобразите графически в координатах P-V, P-T, V-T термодинамический цикл, включающий последовательно следующие процессы: 1Þ2 – адиабатическое расширение, 2Þ3 – изохорическое нагревание, 3Þ1 – изотермическое сжатие. Рассчитайте аналитически и графически работу, теплоту и изменение внутренней энергии цикла.

16. В каком из следующих четырех процессов работа расширения наибольшая:

а) 1 кмоль СО₂ расширяется изотермически при 300К от 10 до 100 м³;

б) 1 кмоль Н₂ расширяется изотермически при 1000К от 10 до 100 м³;

в) 4 кмоль СО₂ расширяются изобарически при нагревании от 300 до 550 К;

г) 2 кмоль Н₂ расширяются изобарически при нагревании от 300 до 1300 К?

17. Изобразите графически термодинамический цикл, включающий последовательно следующие процессы: 1Þ2 – изотермическое расширение; 2Þ3 – изобарическое охлаждение; 3Þ1 – изохорическое нагревание в координатах P-V, V-T и P-T.

18. Изобразите графически термодинамический цикл, включающий последовательно следующие процессы: 1Þ2 – изобарическое нагревание, 2Þ3 – изохорическое охлаждение, 3Þ4 – изобарическое охлаждение, 4Þ1 – изотермическое сжатие в координатах P-V, V-T и P-T.

19. Плотность оксида углерода (II) при 800°С равна 7.10 кг/м³. Определите концентрацию и давление газа.

20. Плотность вещества Х при 25°С и 70 мм.рт.ст. равна 1.85 кг/м³. Какова молярная масса этого вещества?

21. При 373К и стандартном давлении конденсируется 0.430 кг водяного пара. Теплота испарения воды 2253 кДж/кг. Вычислите работу, тепловой эффект и изменение внутренней энергии при конденсации данного количества водяного пара, считая, что пар подчиняется закону идеального газа.

22. Неизвестное твердое вещество массой 20 г помещено в колбу объемом 2 л, из которой выкачан воздух. После нагревания колбы до 150°С вещество полностью превратилось в газ, а давление в колбе стало равным 0.5065 МПа. Найдите молекулярную массу вещества.

23. В двух сосудах одинакового объема – по 2 л каждый – при одинаковых давлениях содержатся: в первом 4 г кислорода, во втором 4 г СО₂. Одинаковы ли температуры этих газов. Если нет, то во сколько раз они различаются?

24. Вычислите изменение внутренней энергии при испарении 50 г этилового спирта при температуре кипения и стандартном давлении, если удельная теплота испарения его равна 857.7 Дж/г, а удельный объем пара при температуре кипения равен 607´10^-3 л/г. Объемом жидкости пренебречь.

25. Рассчитайте изменение внутренней энергии при испарении 1 кг воды при стандартном давлении (Т=423К), если теплота испарения воды равна 2110.0 кДж/кг. Считать пар идеальным газом и объемом жидкости пренебречь.

26. Молярная теплота испарения бензола равна 30.92 кДж/моль. Определите изменение внутренней энергии при испарении 200 г бензола (t=20°С). Считать, что пары бензола подчиняются законам идеальных газов. Объем жидкости незначителен по сравнению с объемом пара, и им можно пренебречь.

27. Определите изменение внутренней энергии при испарении 100 г воды при 20°С, допуская, что пары воды подчиняются законам идеальных газов и что объем жидкости незначителен по сравнению с объемом пара. Удельная теплота парообразования воды 2451 Дж/г.

28. Внутренняя энергия при испарении 90 г воды при 100°С возросла на 188.1 кДж. Удельный объем водяного пара равен 1.699 л/г, давление 1.0133´10⁵ Па (1 атм). Определите мольную теплоту парообразования воды (кДж/моль).

29. Найдите DU при испарении 100 г бензола при температуре его кипения (80.2°С), приняв, что пары бензола подчиняются законам идеальных газов. Теплота испарения бензола 394 Дж/г. Объемом жидкости пренебречь.

Контрольные вопросы к семинару по теме

“Термохимия”

1. Что называется тепловым эффектом реакции? Охарактеризуйте эндотермический, экзотермический эффекты. Что значит тепловой эффект реакции образования, сгорания вещества?

2. Сформулируйте эмпирический закон Гесса. Покажите, что он является следствием первого начала термодинамики.

3. Выведите следствия закона Гесса, применяемые для практических расчетов тепловых эффектов реакций, с использованием теплот образования и сгорания веществ.

4. Что такое стандартные условия? Для чего они введены?

5. Покажите, как соотносятся тепловые эффекты реакции, проведенной при постоянном объеме и при постоянном давлении. Может ли тепловой эффект при постоянном давлении равняться тепловому эффекту при постоянном объеме?