Энтропия. Химия, 10 сынып, презентация.

5

Сабақ тақырыбы:

«Энтропия»

Тема урока:

«Зависимость физико-химических свойств алкенов от строения их кристаллических решеток»

Дата проведения: 04.10.12 u.

Оқу мақсаты:

11.3.1.5 энтропияны жүйенің ретсіздік өлшемі ретінде түсіндіру және оны анықтамалық деректер бойынша есептеу.

5

Тәжірибиеге негізделген термодинамикалық сипаттама:

Күй қызметін дұрыс таңдау арқылы және өзгерісін есептеу нәтижесінде біз термодинамиканың барлық үш сұрағына жауап бере аламыз.

Энштейнің айтқан сөздеріне жүгінсек «термодинамика тәжірибиеге негізделгендіктен, физикалық теориялардың ішінде оның негізгі қағидалары еш уақыта жоққа шығарылмайды».

Таудан өздігінен домалаған тас сияқты реакция энтальпиясының жалпы қосындысының азаюы (95%) (экзотермиялық) нәтижесінде өздігінен жүре алатыны мәлім. Сонымен қатар реакция өздігінен жүретіні энтальпияның (5%) артуымен және реактордың салқындау кезінде (эндотермиялық) жүретіні де белгілі. Эндотермиялық үдерістерді сипаттау үшін және олардың өздігінен жүру шартын анықтау үшін жаңа энтропия деген функция енгізілді (грек тілінен “эн” – “ішкі” және “тропе” – “айналу”)

Қайтымды изотермиялық жүйесі үдерісіне еңгізілетін минималды жылуға, абсолютті температураға қатынасы энтропия өзгерісіне тең. S = Qмин/T

Осы деңгейде термодинамиканы оқығанда жүйенің кейбір экстенсивті қасиеттері S (энтропия) бар екені және оның өзгерісі жүйедегі үдерістермен байланысын постулат ретінде қабылдау қажет.

Өздігінен жүретін үдеріс үшін: S > Q мин/T

Тепе-теңдіктегі үдеріс үшін: S = Q мин/T

Өздігінен жүрмейтін үдеріс үшін:S < Q мин/T

Оқшауланған жүйе үшін,

мұнда dQ = 0, шығады:

Өздігінен жүретін үдеріс үшін: ∆S > 0

Тепе-теңдіктегі үдеріс үшін: ∆S = 0

Өздігінен жүрмейтін үдеріс үшін: ∆S < 0

Жалпы түрде алған кезде оқшауланған жүйе үшін энтропия кемиді немесе тұрақты болады: ∆S ≥ 0

Энтропия ұғымы термодинамиканың екінші заңының алғашқы анықтамалары қалыптасқанда пайда болды. Энтропия – жеке бір бөлшек емес, тұтас жүйенің қасиеті. 

Термодинамиканың анықтамасы

1. У. Томсон (1851) бойынша: “жылу резервуарының сууы нәтижесінде ғана болатын механикалық жұмыс табиғатта болуы мүмкін емес үдеріс”

2. Р. Клаузиус бойынша (1850): “жылу өздігінен салқын денеден, жылы денеге өтіп кете алмайды”

3. В. Оствальд бойынша: екінші ретті мәңгілік қозғалтқышы жүзеге асуы мүмкін емес. Алғаш ашқан С. Карно деп есептеледі.

Жылу машинаның схемасы

Т1 температуралы жылытқыш Q1 жылуын жұмыс денесіне береді, ал жұмыс денесін ұлғаю жұмысын атқаратын идеал газ деп аламыз; жұмыс денесі бастапқы қалыпқа келуі үшін Т2 (тоңазытқыш) температуралы денеге Q2 жылуын беруі қажет, сонда:

Термодинамиканың екінші бастамасының математикалық өрнегін табу үшін идеал жылу машинасының жұмысын қарастырамыз (үйкеліс және жылу шығыны болмайтын машина; жұмыс денесі-идеал газ). Машинаның жұмысы қайтымды циклдік процесс принципіне негізделген – термодинамикалық Карно циклі.

Циклдың жалпы жұмысы барлық бөлімдер жұмысының қосындысына тең:

Бірқатар шағын математикалық түрлендіру жүргізіп Карно циклі бойынша істейтін идеал жылу машинаның ПӘК-ін табамыз:

Осылайша, жылу машинасының максималды ПӘК-і жұмыс денесінің табиғатынан тәуелсіз, жылытқыш пен тоңазытқыш температураларының айырмашылығымен ғана анықталады. Әрине, температураның өзгеруінсіз жылудың жұмысқа айналуы мүмкін емес. Алынған өрнек кез келген цикл бойынша жұмыс істейтін жылу машинасы үшін қолайлы, өйткені кез келген циклді көптеген ұсақ Карно циклдеріне бөлуге болады. 

Карно идеалды жылу машинасының жұмысын талдау негізінде термодинамиканың екінші бастамасы болып табылатын келесі қорытынды жасауға болады: 

Байланысқан энергия мөлшері температураның айырмашылығы аз болса көп болады, және T = const кезінде жылу машинасы жұмыс істей алмайды.Термодинамикалық күй функциясы энтропия байланысқан энергияның өлшемі болып табылады. Карно цикліне негізделе отырып, энтропияның анықтамасын енгіземіз. Өрнекті түрлендіреміз:

Демек,қайтымды Карно циклі үшін жүйеге жылу берілген кездегі температураға жылу санының қатынасы тұрақты шама болады.

Бұл кез-келген қайтымды процесс үшін қолайлы, өйкені әрқайсысы үшін

болатын элементар Карно циклдері түрінде ұсынуға болады. Осылайша еркін қайтымды цикл үшін келтірілген жылулардың алгебралық сомасы нөлге тең:

Өрнекті тұйық контур интегралмен ауыстыруға болады:

Күйдің жаңа функциясы-энтропия және термодинамиканың екінші бастауының қайтымды процестері үшін математикалық жазба түрі. Егер жүйе 1 күйінен 2 күйіне ауысса, энтропияның өзгеруі келесіге тең болады: Осы теңдеулерді термодинамиканың бірінші бастамасының өрнегіне қойып, қайтымды процестер үшін термодинамиканың екі бастамасының бірлескен аналитикалық өрнегін аламыз:

Қайтымсыз процестер үшін жазуға болады :

қайтымды процесстің жұмысы қайтымсыз жүргізілетін процестен әрқашан көп болады.

Егер оқшауланған жүйені қарастырсақ( δQ = 0), қайтымды процесс үшін dS = 0, ал еркін қайтымсыз процесс үшін dS > 0.

1911 ж. Макс Планк келесі постулат

ұсынды: (термодинамиканың үшінші заңы) дұрыс қалыптасқан таза зат кристалының энтропиясы абсолютті нөлде нөлге тең  . Бұл постулат статистикалық термодинамикамен түсіндірілуі мүмкін, оған сәйкес энтропия жүйенің микро деңгейдегі шашыраңқылық шарасы болып табылады. Өрнек S = kblnW,

kb = R/NA = 1,38.10-16 

эрг/град – Больцман тұрақтысы 

Энтропияның статистикалық интерпретациясы Классикалық термодинамика болып жатқан процестерді жүйенің ішкі құрылысына қатысты қылмай қарастырады; сондықтан классикалық термодинамика аясында энтропияның физикалық мәнін көрсету мүмкін емес. Осы мәселені шешу үшін Л. Больцман жылу теориясына статистикалық ұсыныстар енгізді.

Әр жүйенің күйіне термодинамикалық ықтималдылық (жүйенің макрокүйін құраушы микрокүйлердің саны деп қарастырылады) соғұрлым көп беріледі, неғұрлым бұл күй ретсіз және анықталмаған болса.Демек, энтропия жүйенің ретсіздік дәрежесін сипаттайтын күй функциясы болып табылады.Больцман теңдеуі

Статистикалық термодинамика тұрғысынан термодинамиканың екінші бастамасын келесідей тұжырымдауға болады: 

  Жылу машинасын жасап көрсек (су құйылған ұзын шыны ыдыс – төменгі бөлігінде ыстық және жоғарғы бөлігінде суық су), термодинамика заңдарына сәйкес оның жұмысын тексереміз.

  Оқушылар негізгі элементтерін көрсете отырып құрылғының суретін салады:  жұмыс денесі(пипетка ішіндегі ауа), жылытқыш (ыстық суы бар ыдыс), тоңазытқыш (суық суы бар ыдыс).

1. Егер астыңғы резервуар суы пипеткадағы ауа температурасымен бірдей болса, ауа жылуды ала алмас еді. Бұл термодинамиканың бірінші заңына қарама-қайшы болады. Демек, ол жоғары көтеріліп жұмыс атқара алмайды. Қорытынды жасаймыз:біздің құрылғы мәңгі қозғалтқыш емес.

  2. Жылытқыштан энергияны ала отырып, пипеткадағы газ қызады,ұлғаяды және Архимед күшінің әрекетінен жоғары көтеріледі. Оқушылардың байқағаны: жоғарғы резервуардағы суға,яғни тоңазытқышқа жылуды бермей газ суып, сығылып және ауырлық күшінің әрекетінен төмен түсе алмайды.Яғни процесс қайталанбас еді. Термодинамиканың екінші заңы абсолютті емес екенін естен шығаруға болмайды; ол бөлшектері аз болатын және ғарыштық масштабындағы жүйелер үшін мәнін жоғалтады.

В Табиғатта екі процесс байқалады:

1. Жүйе жинақылыққа ұмтылғанда (молекулалар қалыптасуы; энергетиалық фактор)

2.Жүйе шашыраңқылыққа ұмтылғанда (энтропиялық фактор).

Қай процесс жоғары болса соған байланысты бағыты болады.

"Энтальпия" және "энтропия" функциялары реакцияның мүмкіншілігі мен бағытын айтуға көмектеседі..

Мысал №1. Келесі процесс үшін энтропия өзгерісін есептеп түсіндіріңіз 2SO2(г) + O2(г) = 2SO2(г)

Шешуі. Анықтамалықтан заттардың стандартты энтропия мәндерін жазып аламыз

Гесс заңының салдары бойынша,

ΔS0 = 2S0SO3(г) – (2S0SO2(г) + S0O2(г) ) = 2·256,23 – (2 · 248,1 + 205,04) = - 188,78 Дж/К.

ΔS < 0 болғандықтан, жүйе көлемінің азаю салдарынан энтропия азаяды, яғни газ тәріздес заттар мольдерінің азаюы (сол жақта 3 моль газ тәріздес заттар, оң жақта – 2 моль).

Мысал № 2 Келесі процесс үшін энтропия өзгерісін есептеп түсіндіріңіз : Сu2S(к) + 2O2(г) = 2CuO(к) + SO2(г)

Шешуі. Анықтамалықтан заттардың стандартты энтропия мәндерін жазып аламыз

Гесс заңының салдарына сәйкес,

ΔS0 = (2S0CuO (к) + S0SO2(г)) – (S0Cu2S(к) + 2S0O2(г) ) = (2 · 42,64 + 248,1) – (119,24 + 205,04) = 9,1 Дж/К.

Энтропия шамалы артады, бұл молекула SO2(г) құрылымының күрделенуімен түсіндіріледі O2(г) молекуласымен салыстырғанда.

Анықтамалық деректерді пайдалана отырып, ΔrH0, ΔrS0 есептеңіз

3Cu(тв)+8HNO3(aq)=3Cu(NO3)2(aq)+2NO(г)+4H2O(ж)

- 298 К. реакциясы үшін.

Решение. Реакцияның қысқартылған иондық теңдеуі:

3Cu(тв)+8H+(aq)+2NO3-(aq)=3Cu2+(aq)+2NO(г)+4H2O(ж).

Гесс заңына сәйкес реакцияның энтальпиясы:

ΔrH0 =4ΔfH0(H2O(ж))+2ΔfH0(NO(г))+3Δ fH0(Cu2+(aq)) - 2 ΔfH0(NO3-(aq)); (Мыстың және H+ ионының қалыптасу энтальпиясы 0-ге тең).

Қалыптасу энтальпиясының мәндерін қоя отырып, табамыз:

ΔHr0 =4 (-285.8) + 2 90.25 + 3 64.77 - 2 (-205.0) = -358.4 кДж; (үш моль мысқа есептегенде).

Реакция энтропиясын есептейміз

ΔrS0 = ∑ ΔS0прод. - ∑ ΔS0исх.

ΔrS0 =4ΔS0(H2O(ж))+2ΔS0(NO(г))+3ΔS0(Cu2+(aq)) - 2 ΔS0(NO3-(aq)) =

Анықтамалықпен жұмыс

Ерітінді реакциясын қарастырайық

Соданың тұз қышқылымен реакциясы:

Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2↑ Мұндай жазба үшін біз қажетті кестелік деректерді таба алмаймыз–  ΔH o298 қатты тұздар мен газ тәріздес хлорсутек үшін мәндер бар, ал біздің реакция екі ерітіндіні ағызу кезінде болды.

Дұрыс есептеу жүргізу үшін шын мәнінде реакцияға түсетінді анықтау қажет (ион карбонаты мен қышқыл):

CO32- + 2H + = H2O (ж) + CO2↑

Гесс заңы бойынша реакция үшін аламыз:

ΔHo298 = ∑ΔHo(прод.) -∑Δ Ho (исх.) =

(-286 + -394) - (-677 + 0) = -3 кДж.

Реакция энтпропиясын есептейміз

ΔrS0=(ΔS0(H2O(ж))+ΔS0(СO2(г)))-

(ΔS0(CO32- (aq)+ 2 ΔS0(H+(aq))) = ?

Анықтамалықпен жұмыс

Құрғақ химиялық стақанға (мөлдір тағамдық бір реттік стақандарды қолдануға болады) бірдей мөлшерде лимон қышқылы мен соданы (натрий гидрокарбонаты) саламыз. Сусыз реакция болмайды, бірақ бірнеше тамшы су қосылған кезде қоспа қатты «қайнайды»: 3NaHCO3 + H3(C6H5O7) = Na3(C6H5O7) + 3CO2 + 3H2O

Сол сияқты, соданы бормен алмастыра отырып, реакция жүргізуге болады. Бұл реакция карбонат-ионның протонмен өзара әрекеттесуіне әкелетінін дәлелдейді:

CO32– + 2H + = H2CO3 = CO2↑+ H2O

Гесс заңы бойынша аламыз:

ΔHo298 = ∑ΔHo(прод.) -∑Δ Ho (исх.) =

(-286 + -394) - (-677 + 0) = -3 кДж

Реакция энтропиясын есептейміз

ΔrS0=(ΔS0(CO2(г))+ΔS0(H2O(ж))) – (ΔS0(CO32–(aq)) +2 ΔS0(2H +(aq)) =?

Анықтамалықпен жұмыс

Есеп. Алтынның балқу жылуы (Au) 66,5Дж/г, балқу температурасы Au-1064 °C. 3 моль алтынның балқуы кезіндегі энтропияның өзгеруін табыңыз.

Шешуі: 3 моль алтынның қатты күйден сұйық күйге ауысуының энтропиясын өзгеруін келесі формуланы қолданып анықтаймыз

Менделеев кестесін пайдалана отырып, алтынның молярлық массасы 197 г/моль тең екенін табамыз. Алтынның массасын есептейміз:

m (Au) = 3⋅ 197 = 591 (г).

ΔS=591*66,5/1064+273=29,4Дж/(г K).

Жауабы: энтропия өзгерісі 29,4Дж/(г K) тең болады.

Назарларыңызға рақмет!!!

Thanks for attention !!!