ỨNG DỤNG NHIỆT ĐỘNG TRONG đời sống – Tài liệu text
ỨNG DỤNG NHIỆT ĐỘNG TRONG đời sống
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (972.89 KB, 13 trang )
ỨNG DỤNG NHIỆT ĐỘNG HỌC TRONG HÓA KỸ THUẬT
Đề tài: Ứng dụng nhiệt động học
GVHD: T.S Vương Thị Lan Anh
Học viên: Nguyễn Thị Huệ
Lớp: CH CNKTHH K4Đ2
????
n
o
i
t
Ques
sá n g
n
è
đ
ế nà o
h
t
ư
m nh
Là
ế
hư th
đ ược?
n
ế
h
c
e o cơ
h
t
n
tuâ
Nó
n à o?
NỘI DUNG
NỘI DUNG
1. Quá trình tổng hợp amoniac trong công nghiệp
.Amoniac là một trong những sản phâm quan trọng nhất của
ngành công nghiệp hoá học vì vậy nó được sản suất nhiều và ở
quy mô rất lớn.
.Phương pháp chủ yếu để sản xuất amôniac là tổng hợp trực tiếp
từ N2 và H2 với xúc tác Fe và Al2O3
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 với ΔH° = -46,2 kJ/mol
ΔS° = -96,3 J/mol
NỘI DUNG
2. Điều kiện cân bằng, điều kiện tự diễn biến của một quá trình hoá học
Trạng thái cân bằng: là trạng thái mà các thông số đặc trưng cho hệ không biến đổi theo thời gian.
Trạng thái cân bằng bền: là trạng thái của hệ khi muốn chuyển sang trạng thái ít bền khác phải tiêu
tổn một công do hệ sinh ra.
2.1. Xét về điều kiện cân bằng hệ ớ trạng thái cân bằng là hệ trong những điều kiện cho sẵn không có khả năng
sinh công hữu ích.
( Các thành phần trong hệ có thành phần không thay đổi)
Với hệ kín
Điều kiện cần
dG = 0 nếu T, P = const
dH= 0 nếu S, P = const
dF= 0 nếu T, V= const
dU= 0 nếu S, V= const
Điều kiện đủ
d2 u > 0 nếu S, V = const
d2 G > 0 nếu P, T = const
d2 H > 0 nếu S, P = const
d2 F > 0 nếu V, T = const
Đối với hệ cô lập:
dS ≥0
Trong nhiệt động lực học người ta thường xác định chiều của quá
trình dựa vào tiêu chuẩn về tính không thuận nghịch (tính một chiều)
và xác định điều kiện cân bằng dựa vào tiêu chuẩn về tính thuận
nghịch của quá trình.
Theo nguyên lý II của nhiệt động học: Đối với hệ cô lâp ( U=conts,
V= const )
– Quá trình sẽ tự diễn biến theo tự nhiên theo chiều tăng entropi:
dS > 0
– Khi quá trình không thuận nghịch dừng lại, thì entropi đạt giá trị
cực đại, khi đó hệ ở trạng thái cân bằng:
dS=0
Theo nguyên lý I và II:
dG ≤ – SdT + VdP
Dấu = ứng với quá trình thuận nghịch
Dấu < ứng với quá trình không thuận nghịch hay là quá trình tự diễn biến
2.2. Xét cho quá trình các thành phần của hệ thay đổi trong quá trình hóa
học
Xét hệ có số mol thay đổi n1, n2 , n3 , ….ni, , ta có biểu thức nhiệt
động:
Bởi các quá trình liên quan đên thành phần của hệ nên đều được
nghiên cứu ở P,T = const
NỘI DUNG
3. Cân bằng hóa học
3.1. Điều kiện cân bằng của một phản ứng hóa học
Do các phản ứng hoá học thông thường được thực hiện ở nhiệt
độ và áp suất không đổi nên điều kiện cân bằng: dG = 0
Điều kiện tự diễn biến: dG < 0
Nếu AG càng âm thì phản ứng có khả năng tự diễn biến về mặt
nhiệt động học ngày càng cao.
Với quá trình tổng hợp amoniac:
ΔG = -RTlnKp
Kp =
Kp phụ thuộc vào bản chất của phản ứng và nhiệt độ và hằng số cân
bằng đặc trung cho mức độ tiến triển của phản ứng từ trái sang phải
NỘI DUNG
3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng phản ứng hóa học cho quá
trình tổng hợp amoniac
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 với ΔH° = -46,2 kJ/mol
ΔS° = -96,3 J/mol
Theo quy tắc pha Gibs: F = n — k + 2
Trong đó : n = 2 ; sổ pha & = 1—»F = 2 —1 + 2 = 3
Vậy có thế chọn 3 yếu tố tác dụng nên cân bằng đế làm cho nó chuyến
dịch về phía tạo nên NH3 với hiệu suất cực đại. Ba yếu tổ đó là : nhiệt
độ, áp suất chung, tỉ lệ các chất phản ứng.
a. Nhiệt độ
Ta có:
ΔG1= ΔH – T1 ΔS
ΔG2= ΔH – T2ΔS
Nên: =
Suy ra:
NỘI DUNG
+ ΔH< 0, Kp tỉ lệ nghich với T, khi T tăng, thì Kp giảm, phản ứng chuyển
dịch theo chiều nghịch và ngược lại
+ ΔH >0 : Kp tỉ lệ với T, nếu T tăng cần bằng chuyển dịch theo chiều
thuận và ngược lại
Với quá trình tổng hợp amoniac
ΔG = ΔH- TΔS
0 = -46200- T.96,3
→T= 479K hay 200ºC
Nhiệt độ 200ºC là nhiệt độ nghịch chuyển, tức là nhiệt độ cực
đại có thể dùng được ở áp suất 1 atm
→ Như vậy, theo quan điểm của nhiệt động học, quá trình tổng hợp
NH3 được thực hiện ở nhiệt độ càng nhỏ càng tốt.
Tuy nhiên nhiệt độ vừa làm chuyến dịch cân bằng, mặt khác làm biến
đối tốc độ của phản ứng, tức là tốc độ đạt đến cân bàng để vượt qua
khó khăn này người ta phải dùng chất xúc tác ở đây là Fe và Al2O3
NỘI DUNG
b/ Áp suất
Ta có
+ =0, sự thay đổi áp suất không làm ảnh hưởng đến cân bằng
+ < 0, >0, giảm áp suất cân bằng dịch chuyển theo chiều thuân
+ 0, 0, tăng áp suất cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch và ngược
lại
Với quá trình tổng hợp amoniac:
Δn = 2-1-3 = -2<0
Nên khi tăng áp suất, cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận, tăng hiệu
suất tạo amoniac và ngược lại
Thông thường, các chất ban đầu đều là chất khí nên người ta duy trì áp
suất ổn định để tránh cháy nổ
NỘI DUNG
c. Tỉ lệ thành phần hỗn hợp
Người ta đã tính được ràng lượng NH3 được tạo thành
sẽ cực đại khi tỉ lệ của N2 và H2 được lấy dùng bằng tỉ lệ các
hệ số của chúng ở trong phương trình phản ứng nghĩa là
bằng 1:3.
Trong những điều kiện như trên, hiệu suất chuyên hoá NH3
cũng chỉ đạt 20-30% . Sau khi hoá lỏng NH3 ta lại đưa hồn
hợp khi N2 và H2 trở lại chu trình sán xuất.
Ngày này do kĩ thuật áp suấtt cao được phát triển người
ta có thể tông hợp NH3 từ các nguyên tố ớ nhiệt độ 850° c và
được áp suất 4500atm. Với hiệu suất của phản ứng là 97%
mà không cần xúc tác.
EM XIN CHÂN THÀNH
CẢM ƠN !
e o cơtuâ Nón à o?NỘI DUNGNỘI DUNG1. Quá trình tổng hợp amoniac trong công nghiệp.Amoniac là một trong những sản phâm quan trọng nhất củangành công nghiệp hoá học vì vậy nó được sản suất nhiều và ởquy mô rất lớn..Phương pháp chủ yếu để sản xuất amôniac là tổng hợp trực tiếptừ N2 và H2 với xúc tác Fe và Al2O3N2 + 3H2 ↔ 2NH3 với ΔH° = -46,2 kJ/molΔS° = -96,3 J/molNỘI DUNG2. Điều kiện cân bằng, điều kiện tự diễn biến của một quá trình hoá học Trạng thái cân bằng: là trạng thái mà các thông số đặc trưng cho hệ không biến đổi theo thời gian. Trạng thái cân bằng bền: là trạng thái của hệ khi muốn chuyển sang trạng thái ít bền khác phải tiêutổn một công do hệ sinh ra.2.1. Xét về điều kiện cân bằng hệ ớ trạng thái cân bằng là hệ trong những điều kiện cho sẵn không có khả năngsinh công hữu ích.( Các thành phần trong hệ có thành phần không thay đổi)Với hệ kín Điều kiện cầndG = 0 nếu T, P = constdH= 0 nếu S, P = constdF= 0 nếu T, V= constdU= 0 nếu S, V= const Điều kiện đủd2 u > 0 nếu S, V = constd2 G > 0 nếu P, T = constd2 H > 0 nếu S, P = constd2 F > 0 nếu V, T = const Đối với hệ cô lập:dS ≥0 Trong nhiệt động lực học người ta thường xác định chiều của quátrình dựa vào tiêu chuẩn về tính không thuận nghịch (tính một chiều)và xác định điều kiện cân bằng dựa vào tiêu chuẩn về tính thuậnnghịch của quá trình. Theo nguyên lý II của nhiệt động học: Đối với hệ cô lâp ( U=conts,V= const )- Quá trình sẽ tự diễn biến theo tự nhiên theo chiều tăng entropi:dS > 0- Khi quá trình không thuận nghịch dừng lại, thì entropi đạt giá trịcực đại, khi đó hệ ở trạng thái cân bằng:dS=0 Theo nguyên lý I và II:dG ≤ – SdT + VdPDấu = ứng với quá trình thuận nghịchDấu < ứng với quá trình không thuận nghịch hay là quá trình tự diễn biến2.2. Xét cho quá trình các thành phần của hệ thay đổi trong quá trình hóahọcXét hệ có số mol thay đổi n1, n2 , n3 , ….ni, , ta có biểu thức nhiệtđộng:Bởi các quá trình liên quan đên thành phần của hệ nên đều đượcnghiên cứu ở P,T = constNỘI DUNG3. Cân bằng hóa học3.1. Điều kiện cân bằng của một phản ứng hóa họcDo các phản ứng hoá học thông thường được thực hiện ở nhiệtđộ và áp suất không đổi nên điều kiện cân bằng: dG = 0Điều kiện tự diễn biến: dG < 0Nếu AG càng âm thì phản ứng có khả năng tự diễn biến về mặtnhiệt động học ngày càng cao.Với quá trình tổng hợp amoniac:ΔG = -RTlnKpKp =Kp phụ thuộc vào bản chất của phản ứng và nhiệt độ và hằng số cânbằng đặc trung cho mức độ tiến triển của phản ứng từ trái sang phảiNỘI DUNG3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng phản ứng hóa học cho quátrình tổng hợp amoniacN2 + 3H2 ↔ 2NH3 với ΔH° = -46,2 kJ/molΔS° = -96,3 J/molTheo quy tắc pha Gibs: F = n — k + 2Trong đó : n = 2 ; sổ pha & = 1—»F = 2 —1 + 2 = 3Vậy có thế chọn 3 yếu tố tác dụng nên cân bằng đế làm cho nó chuyếndịch về phía tạo nên NH3 với hiệu suất cực đại. Ba yếu tổ đó là : nhiệtđộ, áp suất chung, tỉ lệ các chất phản ứng.a. Nhiệt độTa có:ΔG1= ΔH – T1 ΔSΔG2= ΔH – T2ΔSNên: =Suy ra:NỘI DUNG+ ΔH< 0, Kp tỉ lệ nghich với T, khi T tăng, thì Kp giảm, phản ứng chuyểndịch theo chiều nghịch và ngược lại+ ΔH >0 : Kp tỉ lệ với T, nếu T tăng cần bằng chuyển dịch theo chiềuthuận và ngược lạiVới quá trình tổng hợp amoniacΔG = ΔH- TΔS0 = -46200- T.96,3→T= 479K hay 200ºCNhiệt độ 200ºC là nhiệt độ nghịch chuyển, tức là nhiệt độ cựcđại có thể dùng được ở áp suất 1 atm→ Như vậy, theo quan điểm của nhiệt động học, quá trình tổng hợpNH3 được thực hiện ở nhiệt độ càng nhỏ càng tốt.Tuy nhiên nhiệt độ vừa làm chuyến dịch cân bằng, mặt khác làm biếnđối tốc độ của phản ứng, tức là tốc độ đạt đến cân bàng để vượt quakhó khăn này người ta phải dùng chất xúc tác ở đây là Fe và Al2O3NỘI DUNGb/ Áp suấtTa có+ =0, sự thay đổi áp suất không làm ảnh hưởng đến cân bằng+ < 0, >0, giảm áp suất cân bằng dịch chuyển theo chiều thuân+ 0, 0, tăng áp suất cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch và ngượclạiVới quá trình tổng hợp amoniac:Δn = 2-1-3 = -2<0Nên khi tăng áp suất, cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận, tăng hiệusuất tạo amoniac và ngược lạiThông thường, các chất ban đầu đều là chất khí nên người ta duy trì ápsuất ổn định để tránh cháy nổNỘI DUNGc. Tỉ lệ thành phần hỗn hợpNgười ta đã tính được ràng lượng NH3 được tạo thànhsẽ cực đại khi tỉ lệ của N2 và H2 được lấy dùng bằng tỉ lệ cáchệ số của chúng ở trong phương trình phản ứng nghĩa làbằng 1:3.Trong những điều kiện như trên, hiệu suất chuyên hoá NH3cũng chỉ đạt 20-30% . Sau khi hoá lỏng NH3 ta lại đưa hồnhợp khi N2 và H2 trở lại chu trình sán xuất.Ngày này do kĩ thuật áp suấtt cao được phát triển ngườita có thể tông hợp NH3 từ các nguyên tố ớ nhiệt độ 850° c vàđược áp suất 4500atm. Với hiệu suất của phản ứng là 97%mà không cần xúc tác.EM XIN CHÂN THÀNHCẢM ƠN !
