ВВЕДЕНИЕ. Методические указания

Методические указания

По Контрольно-курсовой работе

по дисциплине

ТЕРМОДИНАМИКА

Направление подготовки: 15.03.01 Машиностроение

Профиль подготовки: Машины и технология литейного производства

Форма обучения: очная

Тула 2014 г.

Методические указания по ККР составлены доцентом П.И. Маленко и утверждены на заседании кафедры СЛиТКМ механико-технологического факультета

протокол №_1 от "_30__" _августа_ 20 12 г.

Зав. кафедрой ___ _____ А.А. Протопопов

Методические указания по ККР пересмотрены и утверждены на заседании кафедры СЛиТКМ механико-технологического факультета

протокол №_1 от "_29__" _августа_ 20 14 г.

Зав. кафедрой ___ _____ А.А. Протопопов

ВВЕДЕНИЕ

Большинство физико-химических процессов и реакций в литейном производстве осуществляется при постоянном давлении (~0,1МН/м²). Направление процесса (реакции) при заданной температуре определяется знаком изменения энергии Гиббса этого процесса. При отрицательном значении процесс протекает в сторону образования конечных веществ, при положительном значении - в сторону образования исходных веществ. При нулевом значении изменения энергии Гиббса ( =0) достигается динамическое равновесие процесса, т.е. процесс (реакция) идет одновременно в двух противоположных направлениях с одинаковой скоростью.

Полнота протекания процесса (реакции) в изобарно изотермических условиях, т.е. при р=const и Т=const. Определяется нахождением мольных долей конечных веществ из уравнения, составленного на основании торжества рассчитанного значения константы равновесия К_р и значений константы равновесия К_N, выраженной через отношения мольных долей конечных веществ к мольным далям исходных веществ (мольные доли веществ подставляются в выражение К_N в степенях, соответствующих стехиометрическим коэффициентным этих веществ в реакции).

Методическое пособие по ККР составлено на примере гетерогенной реакции Mg+H₂O=MgO+H₂ при 1000 К.

1. ВЫБОР ИСХОДНЫХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ ДЛЯ ВЕЩЕСТВ РЕАКЦИИ

Выбор исходных теплофизических данных для исходных и конечных веществ реакции производится по справочникам [1, 2, 3] с переводом кал в Дж (1 кал=4,184 Дж).

Для гетерогенной реакции Mg+H₂O=MgO+H₂ (1) исходные теплофизические данные для исходных и конечных веществ занесены в табл.1.

Таблица 1.

Исходные теплофизические данные для веществ реакции Mg+H₂O=MgO+H₂

Вещество	, Дж/ моль	, Дж/ (моль)	Тпр, К	, Дж/ моль	Тпл, К	, Дж/ моль	Ткип, К	, Дж/ моль
Mg		32,5	-	-		8493,5
H2O	-285830	69,9	-	-
MgO	-601241	27,4	-	-			(3533)
H2		130,6	-	-		57,6	20,6

Выбираем [1, 2] уравнения мольной изобарной теплоемкости исходных и конечных веществ реакции в температурном интервале от 298 К до заданной температуры. Эти уравнения необходимы для определения и веществ при заданной температуре Т.

Для реакции Mg+H₂O=MgO+H₂ при 1000 К эти уравнения следующие:

, Дж/(моль.К) [293-923_плК];

, Дж/(моль.К) [923-1130 К];

, Дж/(моль.К) [273-373 К];

, Дж/(моль.К) [298-2500К];

, Дж/(моль.К) [298-3098_плК];

, Дж/(моль.К) [298-3000К].

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТАЛЬПИИ РЕАКЦИИ ПРИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Для определения реакции при заданной температуре Т вначале необходимо по выбранным значениям , уравнениям теплоемкости , , рассчитать для этой же температуры Т.

Применительно к уравнению (1):

Дж/моль;

Дж/моль.

Дж/моль.

Дж/моль.

Изменение энтальпии реакции при заданной температуре Т определяют по уравнению:

, (2)

где - алгебраическая сумма энтальпии конечных веществ в реакции с учетом стехиометрических коэффициентов у этих веществ, Дж/моль;

- алгебраическая сумма энтальпии исходных веществ реакции с учетом стехиометрических коэффициентов у этих веществ, Дж/моль.

Для (1) изменение энтальпии реакции при 1000 К будет равно:

Дж/моль.

Дж/моль.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТРОПИИ РЕАКЦИИ ПРИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Так же, как и для определения реакции, вначале по выбранным значениям , уравнениям теплоемкости, , , необходимо рассчитать энтропию каждого вещества реакции для заданной температуры.

Применительно к (1):

(Дж/моль*К);

Дж/(моль*К);

Дж/(моль*К).

Изменение энтропии реакции при заданной температуре Т определяют по уравнению:

, (3)

где - алгебраическая сумма энтропии конечных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов у этих веществ, Дж/(моль*К);

- алгебраическая сумма энтропии исходных веществ реакции с учетом стехиометрических коэффициентов у этих веществ, Дж/(моль*К).

Для (1) изменение энтропии реакции при 1000 К равна:

Дж/(моль*К).

Дж/(моль*К).

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНЕРГИЙ ГИББСА РЕАКЦИИ ПРИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Изменение энергии Гиббса реакции при заданной температуре Т определяют по следующему уравнению:

, (4)

где - изменение энтальпии реакции при заданной температуре Т, Дж/моль;

- изменение энтропии реакции при заданной температуре Т, Дж/(моль.К).

Для (1) изменение энергии Гиббса реакции при 1000 К равна:

Дж/(моль.К).

Отрицательное значение изменения энергии Гиббса показывает, что реакция идет слева направо, т.е. в сторону образования конечных продуктов MgO_тв и Н_2r.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТАНТЫ РАВНОВЕСИЯ РЕАКЦИИ ПРИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Константа равновесия любой реакции или любого процесса определяется из следующего выражения:

,

, (5)

где К_р – константы равновесия реакции при постоянном давлении р и заданной температуре Т ^оС при К_р>1 реакция идет слева направо; при К_р<1 реакция идет справа налево; при К=1 в реакции устанавливается динамическое равновесие);

- изменение энергии Гиббса реакции при заданной температуре Т, Дж/моль; R – универсальная газовая постоянная, (Дж/моль*К), R=8,314 Дж/(моль*К); Т – абсолютная температура реакции, К; е – основание натуральных логарифмов, е=2,718.

Для (1) константа равновесия К_р равна:

.

Вычисленное значение показывает, что реакция при 1000 К идет слева направо, т.е. в сторону образования MgO_тв и Н_2г.

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОТЫ ПРОТЕКАНИЯ РЕАКЦИИ ПРИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Полнота протекания реакции вида А_ж+В_г=Д_тв+Е_г (выход продуктов реакции) при заданной температуре Т в изобарных условиях определяется по следующему уравнению

, (6)

где - мольная доля конечного вещества Е в газообразном состоянии;

- мольная доля исходного вещества В в газообразном состоянии) после подставки в него вместо К_N вычисленного значения К_р, т.е. . Мольные доли газовых фаз в уравнение (6) подставляются из предварительно заполненной таблицы для заданной реакции.

Применительно к (1) это табл.2.

Таблица 2.

Вещества (компоненты), моли
Было до реакции			-	-
Ушло в реакцию	х	х	-	-
В реакции при 1000 К	1-х	1-х	х	х
Общее число молей газа в реакции при 1000 К
Мольные доли газов в реакции при 1000 К		1-х	х

;

;

;

;

;

.

Таким образом, выход продуктов реакции при 1000 К следующий:

; , т.е. реакция прошла практически полностью (; ).

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение на основании выполненных расчетов , и мольных долей веществ заданной реакции при определенной температуре Т необходимо сделать выводы о направлении и полноте протекания этой реакции.

Применительно к реакции Mg+Н₂О=MgO+H₂ при 1000 К эти выводы следующие: так как Дж/моль и , то реакция идет слева направо, в сторону образования конечных продуктов. Рассчитанный выход продуктов реакции Н₂=х=1 и MgO_тв=х=1 свидетельствует о том, что эта реакция прошла практически полностью.

8. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Теплотехника: учебник для вузов /М.Г. Шатров [и др.]; под ред. М.Г. Шатрова.— 3-е изд., стер. — Москва: Академия, 2013. — 288 с.: ил. — ISBN 978-5-7695-9543-1.

2. Буданов, В.В. Химическая термодинамика: учеб. пособие для вузов /В.В. Буданов, А.И. Максимов; под ред. О.И. Койфмана. — М.: Академкнига, 2007. — 312 с.: ил. — ISBN 978-5-94628-300-7.

3. Козырев А.В. Термодинамика и молекулярная физика [Электронный ресурс]: учебное пособие /Козырев А.В. — Электрон. текстовые данные. — Томск: Эль Контент, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012. — 114 c. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/13871. — ЭБС «IPRbooks», по паролю.

4. Исаев, С.И. Термодинамика: Учебник для техн. ун-тов и вузов /С.И. Исаев. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. — 416 с.: ил. — ISBN 5-70-1724-2.

5. Гончаров, С.А. Термодинамика: Учебник для вузов /С.А. Гончаров. — 2-е изд., стер. — М.: МГГУ, 2002. — 440 с.: ил. — ISBN 5-7418-0010-6.

6. Глаголев, К.В. Физическая термодинамика: Учеб. пособие для вузов /К.В. Глаголев, А.Н. Морозов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. — 272 с.: ил. — ISBN 5-7038-2208-4.

7. Карякин, Н.В. Основы химической термодинамики: Учеб. пособие для вузов /Н.В. Карякин. — М.: Академия, 2003. — 464 с.: ил. — ISBN 5-7695-1596-1.

8. Василевский, А.С. Термодинамика и статистическая физика: Учеб. пособие для вузов /А.С. Василевский. — 2-е изд., перераб. — М.: Дрофа, 2006. — 240 с.: ил. — ISBN 5-7107-9408-2.

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ ПО ККР

Определение направления и полноты протекания физико-химической реакции……………….. при температуре…………………….

№ вари-анта	Физико-химическая реакция	Температура реакции, К