Методические указания
По Контрольно-курсовой работе
по дисциплине
ТЕРМОДИНАМИКА
Направление подготовки: 150700 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 пересмотреныи 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 Кр и значений константы равновесия КN, выраженной через отношения мольных долей конечных веществ к мольным далям исходных веществ (мольные доли веществ подставляются в выражение КN 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) [293-923плК];
, Дж/(моль.К) [923-1130 К];
, Дж/(моль.К) [273-373 К];
, Дж/(моль.К) [298-2500К];
, Дж/(моль.К) [298-3098плК];
, 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 MgOтв и Н2r.
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТАНТЫ РАВНОВЕСИЯ РЕАКЦИИ ПРИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Константа равновесия любой реакции или любого процесса определяется из следующего выражения:
,
, (5)
где Кр – константы равновесия реакции при постоянном давлении р и заданной температуре Т оС при Кр>1 реакция идет слева направо; при Кр<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 Кр равна:
.
Вычисленное значение показывает, что реакция при 1000 К идет слева направо, т.е. в сторону образования MgOтв и Н2г.
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОТЫ ПРОТЕКАНИЯ РЕАКЦИИ ПРИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Полнота протекания реакции вида Аж+Вг=Дтв+Ег (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 КN вычисленного значения Кр, 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 MgOтв=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 |
ПРИЛОЖЕНИЕ