Pojem množství tepla vznikl v raných fázích vývoje moderní fyziky, kdy neexistovaly jasné představy o vnitřní struktuře hmoty, co je energie, jaké formy energie existují v přírodě a o energii jako formě. pohybu a přeměny hmoty.
Množstvím tepla se rozumí fyzikální veličina ekvivalentní energii předané hmotnému tělesu v procesu výměny tepla.
Zastaralá jednotka tepla je kalorie, rovná se 4,2 J, dnes se tato jednotka prakticky nepoužívá a její místo zaujal joule.
Zpočátku se předpokládalo, že nositelem tepelné energie je nějaké zcela beztížné médium s vlastnostmi kapaliny. Na základě tohoto předpokladu byly a stále jsou řešeny četné fyzikální problémy přenosu tepla. Existence hypotetických kalorií byla základem mnoha v podstatě správných konstrukcí. Věřilo se, že kalorie se uvolňují a absorbují při jevech zahřívání a chlazení, tání a krystalizace. Správné rovnice pro procesy přenosu tepla byly získány na základě nesprávných fyzikálních konceptů. Existuje známý zákon, podle kterého je množství tepla přímo úměrné hmotnosti tělesa účastnícího se výměny tepla a teplotnímu gradientu:
Kde Q je množství tepla, m je tělesná hmotnost a koeficient S– veličina zvaná měrná tepelná kapacita. Měrná tepelná kapacita je charakteristikou látky, která se účastní procesu.
Práce v termodynamice
V důsledku tepelných procesů lze provádět čistě mechanickou práci. Například když se plyn zahřeje, zvětší svůj objem. Vezměme si situaci jako na obrázku níže:
V tomto případě bude mechanická práce rovna síle tlaku plynu na píst vynásobené dráhou, kterou píst pod tlakem urazí. To je samozřejmě ten nejjednodušší případ. Ale i v něm lze zaznamenat jednu potíž: tlaková síla bude záviset na objemu plynu, což znamená, že nemáme co do činění s konstantami, ale s proměnnými veličinami. Protože všechny tři proměnné: tlak, teplota a objem spolu souvisejí, výpočetní práce se výrazně zkomplikuje. Existují některé ideální, nekonečně pomalé procesy: izobarické, izotermické, adiabatické a izochorické – pro které lze takové výpočty provádět relativně jednoduše. Vynese se graf závislosti tlaku na objemu a práce se vypočte jako integrál tvaru.
Tepelná kapacita- to je množství tepla absorbovaného tělesem při zahřátí o 1 stupeň.
Tepelná kapacita tělesa je označena velkým latinským písmenem S.
Na čem závisí tepelná kapacita tělesa? Především z jeho hmoty. Je jasné, že ohřátí např. 1 kilogramu vody bude vyžadovat více tepla než ohřátí 200 gramů.
A co druh látky? Udělejme experiment. Vezmeme dvě identické nádoby a po nalití vody o hmotnosti 400 g do jedné z nich a rostlinného oleje o hmotnosti 400 g do druhé je začneme ohřívat pomocí stejných hořáků. Pozorováním údajů teploměru uvidíme, že se olej rychle zahřeje. Aby se voda a olej ohřály na stejnou teplotu, musí se voda ohřívat déle. Čím déle ale vodu ohříváme, tím více tepla dostává od hořáku.
K zahřátí stejné hmoty různých látek na stejnou teplotu je tedy zapotřebí různé množství tepla. Množství tepla potřebného k zahřátí tělesa a tedy i jeho tepelná kapacita závisí na druhu látky, ze které se těleso skládá.
Takže například ke zvýšení teploty vody o hmotnosti 1 kg o 1 °C je potřeba množství tepla rovné 4200 J a k zahřátí stejné hmotnosti slunečnicového oleje o 1 °C množství tepla rovné Je potřeba 1700 J.
Fyzikální veličina udávající, kolik tepla je potřeba k ohřátí 1 kg látky o 1 ºС specifická tepelná kapacita této látky.
Každá látka má svou specifickou tepelnou kapacitu, která se označuje latinským písmenem c a měří se v joulech na kilogram stupně (J/(kg °C)).
Měrná tepelná kapacita téže látky v různých stavech agregace (pevné, kapalné a plynné) je různá. Například měrná tepelná kapacita vody je 4200 J/(kg °C) a měrná tepelná kapacita ledu je 2100 J/(kg °C); hliník v pevném stavu má měrnou tepelnou kapacitu 920 J/(kg - °C), v kapalném stavu - 1080 J/(kg - °C).
Všimněte si, že voda má velmi vysokou měrnou tepelnou kapacitu. Voda v mořích a oceánech, která se v létě zahřívá, proto absorbuje velké množství tepla ze vzduchu. Díky tomu v místech, která se nacházejí v blízkosti velkých vodních ploch, není léto tak horké jako v místech daleko od vody.
Výpočet množství tepla potřebného k zahřátí tělesa nebo jím uvolněného při ochlazování.
Z výše uvedeného je zřejmé, že množství tepla potřebné k zahřátí tělesa závisí na druhu látky, ze které se těleso skládá (tedy na jeho měrné tepelné kapacitě) a na hmotnosti tělesa. Je také jasné, že množství tepla závisí na tom, o kolik stupňů se chystáme zvýšit tělesnou teplotu.
Chcete-li tedy určit množství tepla potřebného k zahřátí tělesa nebo tělesa uvolněného během chlazení, musíte vynásobit měrnou tepelnou kapacitu tělesa jeho hmotností a rozdílem mezi jeho konečnou a počáteční teplotou:
Q= cm (t 2 - t 1),
Kde Q- množství tepla, C- specifická tepelná kapacita, m- tělesná hmotnost, t 1- počáteční teplota, t 2- konečná teplota.
Když se tělo zahřeje t 2> t 1 a proto Q >0 . Když se tělo ochladí t 2i< t 1 a proto Q< 0 .
Pokud je známa tepelná kapacita celého těla S, Q určeno vzorcem: Q = C (t2 - t 1).
22) Tavení: definice, výpočet množství tepla pro tavení nebo tuhnutí, měrné skupenské teplo tání, graf t 0 (Q).
Termodynamika
Obor molekulární fyziky, který studuje přenos energie, vzorce přeměny jednoho typu energie na jiný. Na rozdíl od molekulární kinetické teorie termodynamika nebere v úvahu vnitřní strukturu látek a mikroparametry.
Termodynamický systém
Je to soubor těles, která si vyměňují energii (ve formě práce nebo tepla) mezi sebou nebo s okolím. Voda v konvici se například ochlazuje a dochází k výměně tepla mezi vodou a konvicí a teplo konvice s okolím. Válec s plynem pod pístem: píst koná práci, v důsledku čehož plyn přijímá energii a mění se jeho makroparametry.
Množství tepla
Tento energie, které systém přijímá nebo uvolňuje během procesu výměny tepla. Označuje se symbolem Q a měří se jako každá energie v joulech.
V důsledku různých procesů výměny tepla je přenášená energie určena svým vlastním způsobem.
Vytápění a chlazení
Tento proces je charakterizován změnou teploty systému. Množství tepla je určeno vzorcem
Měrná tepelná kapacita látky s měřeno množstvím tepla potřebného k zahřátí jednotky hmotnosti této látky o 1K. Ohřev 1 kg skla nebo 1 kg vody vyžaduje různé množství energie. Měrná tepelná kapacita je známá veličina, již vypočtená pro všechny látky viz hodnota ve fyzikálních tabulkách.
Tepelná kapacita látky C- to je množství tepla, které je nutné k zahřátí tělesa bez zohlednění jeho hmotnosti o 1K.
Tání a krystalizace
Tání je přechod látky z pevného do kapalného stavu. Reverzní přechod se nazývá krystalizace.
Energie, která je vynaložena na destrukci krystalové mřížky látky, je určena vzorcem
Měrné teplo tání je známá hodnota pro každou látku viz hodnota ve fyzikálních tabulkách.
Odpařování (odpařování nebo var) a kondenzace
Vaporizace je přechod látky z kapalného (pevného) skupenství do plynného skupenství. Opačný proces se nazývá kondenzace.
Měrné výparné teplo je známá hodnota pro každou látku viz hodnota ve fyzikálních tabulkách.
Spalování
Množství tepla uvolněného při hoření látky
Měrné spalné teplo je známá hodnota pro každou látku viz hodnota ve fyzikálních tabulkách.
Pro uzavřenou a adiabaticky izolovanou soustavu těles je splněna rovnice tepelné bilance. Algebraický součet množství tepla odevzdaného a přijatého všemi tělesy účastnícími se výměny tepla je roven nule:
Q1+Q2 +...+Qn=0
23) Struktura kapalin. Povrchová vrstva. Síla povrchového napětí: příklady projevu, výpočet, koeficient povrchového napětí.
Čas od času se může jakákoli molekula přesunout na blízké volné místo. K takovým skokům v kapalinách dochází poměrně často; proto molekuly nejsou vázány na konkrétní centra, jako v krystalech, a mohou se pohybovat v celém objemu kapaliny. To vysvětluje tekutost kapalin. Díky silné interakci mezi těsně umístěnými molekulami mohou vytvářet lokální (nestabilní) uspořádané skupiny obsahující několik molekul. Tento jev se nazývá uzavřít objednávku(obr. 3.5.1).
Koeficient β se nazývá teplotní koeficient objemové roztažnosti . Tento koeficient pro kapaliny je desítkykrát větší než pro pevné látky. Pro vodu např. při teplotě 20 °C β v ≈ 2 10 – 4 K – 1, pro ocel β st ≈ 3,6 10 – 5 K – 1, pro křemenné sklo β kv ≈ 9 10 – 6 K - 1 .
Tepelná roztažnost vody má pro život na Zemi zajímavou a důležitou anomálii. Při teplotách pod 4 °C se voda s klesající teplotou rozpíná (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Když voda zamrzne, roztáhne se, takže led zůstane plavat na hladině zamrzající vodní plochy. Teplota mrznoucí vody pod ledem je 0 °C. V hustších vrstvách vody na dně nádrže je teplota asi 4 °C. Díky tomu může ve vodě mrazivých nádrží existovat život.
Nejzajímavější vlastností kapalin je přítomnost volný povrch . Kapalina na rozdíl od plynů nevyplní celý objem nádoby, do které se nalévá. Mezi kapalinou a plynem (nebo párou) je vytvořeno rozhraní, které je ve srovnání se zbytkem kapaliny ve zvláštních podmínkách. Je třeba mít na paměti, že vzhledem k extrémně nízké stlačitelnosti je přítomnost hustěji usazené povrchové vrstvy nevede k žádné znatelné změně objemu kapaliny. Pokud se molekula přesune z povrchu do kapaliny, síly mezimolekulární interakce vykonají pozitivní práci. Naopak, aby bylo možné vytáhnout určitý počet molekul z hloubky kapaliny na povrch (tj. zvětšit povrch kapaliny), musí vnější síly vykonat kladnou práci Δ A vnější, úměrná změně Δ S plocha povrchu:
Z mechaniky je známo, že rovnovážné stavy systému odpovídají minimální hodnotě jeho potenciální energie. Z toho vyplývá, že volný povrch kapaliny má tendenci zmenšovat svou plochu. Z tohoto důvodu má volná kapka kapaliny kulovitý tvar. Kapalina se chová tak, jako by síly působící tečně k jejímu povrchu tento povrch stahovaly (tahaly). Tyto síly se nazývají síly povrchového napětí .
Přítomnost sil povrchového napětí způsobuje, že povrch kapaliny vypadá jako elastická napnutá fólie, pouze s tím rozdílem, že elastické síly ve fólii závisí na její ploše (tj. na tom, jak je fólie deformována), a na povrchovém napětí. síly nezávisí na povrchu kapaliny.
Některé kapaliny, jako je mýdlová voda, mají schopnost vytvářet tenké filmy. Známé mýdlové bubliny mají pravidelný kulovitý tvar – to ukazuje i vliv sil povrchového napětí. Pokud se drátěný rám, jehož jedna strana je pohyblivá, spustí do mýdlového roztoku, pak se celý rám pokryje filmem kapaliny (obr. 3.5.3).
Síly povrchového napětí mají tendenci zmenšovat povrch fólie. Pro vyvážení pohyblivé strany rámu na ni musí působit vnější síla Pokud se pod vlivem síly příčka posune o Δ X, pak bude provedena práce Δ A vn = F vn Δ X = Δ E p = σΔ S, kde Δ S = 2LΔ X– přírůstek na povrchu obou stran mýdlového filmu. Protože moduly sil a jsou stejné, můžeme napsat:
|
Koeficient povrchového napětí σ lze tedy definovat jako modul síly povrchového napětí působící na jednotku délky čáry ohraničující povrch.
Působením sil povrchového napětí v kapkách kapaliny a uvnitř mýdlových bublin vzniká přetlak Δ p. Pokud mentálně uříznete sférický pokles poloměru R na dvě poloviny, pak každá z nich musí být v rovnováze působením sil povrchového napětí působících na hranici řezu délky 2π R a přetlakové síly působící na plochu π R 2 sekce (obr. 3.5.4). Podmínka rovnováhy se zapisuje jako
Pokud jsou tyto síly větší než síly vzájemného působení mezi molekulami samotné kapaliny, pak kapaliny mokry povrch pevné látky. V tomto případě se kapalina přibližuje k povrchu pevné látky pod určitým ostrým úhlem θ, charakteristickým pro daný pár kapalina-pevná látka. Úhel θ se nazývá kontaktní úhel . Pokud síly interakce mezi molekulami kapaliny převyšují síly jejich interakce s molekulami pevné látky, pak se kontaktní úhel θ ukáže jako tupý (obr. 3.5.5). V tomto případě říkají, že kapalina nesmáčí povrch pevné látky. Na úplné zvlhčeníθ = 0, at úplné nesmáčení 6 = 180°.
Kapilární jevy nazývá se vzestup nebo pokles kapaliny v trubkách malého průměru - kapiláry. Smáčecí kapaliny stoupají kapilárami, nesmáčivé kapaliny sestupují.
Na Obr. 3.5.6 ukazuje kapiláru o určitém poloměru r, spuštěný na spodním konci do smáčecí kapaliny o hustotě ρ. Horní konec kapiláry je otevřený. Vzestup kapaliny v kapiláře pokračuje, dokud gravitační síla působící na sloupec kapaliny v kapiláře nebude mít stejnou velikost jako výslednice F n Síly povrchového napětí působící podél hranice kontaktu kapaliny s povrchem kapiláry: F t = F n, kde F t = mg = ρ hπ r 2 G, F n = σ2π r cos θ.
Z toho vyplývá:
Při úplném nesmáčení θ = 180° je cos θ = –1, a proto h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Voda téměř úplně smáčí čistý skleněný povrch. Naopak rtuť zcela nesmáčí povrch skla. Hladina rtuti ve skleněné kapiláře proto klesá pod hladinu v nádobě.
24) Vaporizace: definice, druhy (odpařování, var), výpočet množství tepla pro vypařování a kondenzaci, měrné teplo vypařování.
Odpařování a kondenzace. Vysvětlení jevu vypařování na základě představ o molekulární struktuře hmoty. Měrné výparné teplo. Její jednotky.
Jev přeměny kapaliny na páru se nazývá vypařování.
Vypařování - proces odpařování probíhající z otevřeného povrchu.
Molekuly kapaliny se pohybují různými rychlostmi. Pokud nějaká molekula skončí na povrchu kapaliny, může překonat přitažlivost sousedních molekul a vyletět z kapaliny. Vyvržené molekuly tvoří páru. Zbývající molekuly kapaliny při srážce mění rychlost. Některé molekuly přitom získávají rychlost dostatečnou k vylétnutí z kapaliny. Tento proces pokračuje, takže se kapaliny pomalu odpařují.
*Rychlost odpařování závisí na typu kapaliny. Ty kapaliny, jejichž molekuly jsou přitahovány menší silou, se odpařují rychleji.
* K odpařování může dojít při jakékoli teplotě. Ale při vysokých teplotách dochází k odpařování rychleji .
*Rychlost odpařování závisí na jeho povrchu.
*Při větru (proudění vzduchu) dochází k rychlejšímu odpařování.
Při vypařování se vnitřní energie snižuje, protože Během odpařování kapalina opouští rychlé molekuly, proto se průměrná rychlost zbývajících molekul snižuje. To znamená, že pokud nedochází k přílivu energie zvenčí, pak teplota kapaliny klesá.
Jev přeměny páry v kapalinu se nazývá kondenzace.
Je doprovázena uvolňováním energie.
Kondenzace páry vysvětluje vznik mraků. Vodní pára stoupající nad zemí tvoří v horních studených vrstvách vzduchu mraky, které se skládají z drobných kapiček vody.
Měrné výparné teplo - fyzický hodnota ukazující, kolik tepla je potřeba k přeměně kapaliny o hmotnosti 1 kg na páru beze změny teploty.
Ud. výparné teplo značeno písmenem L a měřeno v J/kg
Ud. výparné teplo vody: L=2,3×10 6 J/kg, alkohol L=0,9×10 6
Množství tepla potřebné k přeměně kapaliny na páru: Q = Lm
Cvičení 81.
Vypočítejte množství tepla, které se uvolní při redukci Fe 2 O 3 kovový hliník, pokud bylo získáno 335,1 g železa. Odpověď: 2543,1 kJ.
Řešení:
Reakční rovnice:
= (Al 2 O 3) - (Fe 2 O 3) = -1669,8 -(-822,1) = -847,7 kJ
Výpočet množství tepla, které se uvolní při příjmu 335,1 g železa, se provede z podílu:
(2 . 55,85) : -847,7 = 335,1 : X; x = (0847,7 . 335,1)/ (2 . 55,85) = 2543,1 kJ,
kde 55,85 atomová hmotnost železa.
Odpovědět: 2543,1 kJ.
Tepelný účinek reakce
Úkol 82.
Plynný ethylalkohol C2H5OH lze získat interakcí ethylenu C 2 H 4 (g) a vodní páry. Napište termochemickou rovnici pro tuto reakci, když jste předtím vypočítali její tepelný účinek. Odpověď: -45,76 kJ.
Řešení:
Reakční rovnice je:
C2H4 (g) + H20 (g) = C2H5OH (g); = ?
Hodnoty standardních tepl tvorby látek jsou uvedeny ve speciálních tabulkách. Uvážíme-li, že skupenství jednoduchých látek se běžně považuje za nulové. Vypočítejme tepelný účinek reakce pomocí důsledku Hessova zákona, dostaneme:
= (C2H5OH) – [(C2H4) + (H20)] =
= -235,1 -[(52,28) + (-241,83)] = -45,76 kJ
Reakční rovnice, ve kterých jsou vedle symbolů chemických sloučenin uvedeny jejich agregované stavy nebo krystalická modifikace, jakož i číselná hodnota tepelných účinků, se nazývají termochemické. V termochemických rovnicích, pokud není výslovně uvedeno, jsou hodnoty tepelných účinků při konstantním tlaku Q p indikovány rovny změně entalpie systému. Hodnota je obvykle uvedena na pravé straně rovnice, oddělená čárkou nebo středníkem. Přijímají se tato zkrácená označení pro stav agregace látky: G- plynný, a- kapalina, Na
Pokud se v důsledku reakce uvolňuje teplo, pak< О. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:
C2H4 (g) + H20 (g) = C2H5OH (g); = - 45,76 kJ.
Odpovědět:- 45,76 kJ.
Úkol 83.
Vypočítejte tepelný účinek redukční reakce oxidu železa (II) s vodíkem na základě následujících termochemických rovnic:
a) EO (k) + CO (g) = Fe (k) + C02 (g); = -13,18 kJ;
b) CO (g) + 1/202 (g) = C02 (g); = -283,0 kJ;
c) H2 (g) + 1/202 (g) = H20 (g); = -241,83 kJ.
Odpověď: +27,99 kJ.
Řešení:
Reakční rovnice pro redukci oxidu železa (II) vodíkem má tvar:
EeO (k) + H2 (g) = Fe (k) + H20 (g); = ?
= (H2O) – [ (FeO)
Vznikové teplo vody je dáno rovnicí
H2 (g) + 1/202 (g) = H20 (g); = -241,83 kJ,
a teplo tvorby oxidu železa (II) lze vypočítat odečtením rovnice (a) od rovnice (b).
=(c) - (b) - (a) = -241,83 – [-283,o – (-13,18)] = +27,99 kJ.
Odpovědět:+27,99 kJ.
Úkol 84.
Při interakci plynného sirovodíku a oxidu uhličitého se tvoří vodní pára a sirouhlík CS 2 (g). Napište termochemickou rovnici této reakce a nejprve vypočítejte její tepelný účinek. Odpověď: +65,43 kJ.
Řešení:
G- plynný, a- kapalina, Na-- krystalický. Tyto symboly se vynechávají, pokud je zřejmý agregační stav látek, například O 2, H 2 atd.
Reakční rovnice je:
2H2S (g) + C02 (g) = 2H20 (g) + CS2 (g); = ?
Hodnoty standardních tepl tvorby látek jsou uvedeny ve speciálních tabulkách. Uvážíme-li, že skupenství jednoduchých látek se běžně považuje za nulové. Tepelný účinek reakce lze vypočítat pomocí důsledků Hessova zákona:
= (H20) + (СS2) – [(H2S) + (С02)];
= 2(-241,83) + 115,28 – = +65,43 kJ.
2H2S (g) + C02 (g) = 2H20 (g) + CS2 (g); = +65,43 kJ.
Odpovědět:+65,43 kJ.
Rovnice termochemické reakce
Úkol 85.
Napište termochemickou rovnici pro reakci mezi CO (g) a vodíkem, jejímž výsledkem je vznik CH 4 (g) a H 2 O (g). Kolik tepla se při této reakci uvolní, pokud se za normálních podmínek získá 67,2 litrů metanu? Odpověď: 618,48 kJ.
Řešení:
Reakční rovnice, ve kterých jsou vedle symbolů chemických sloučenin uvedeny jejich agregované stavy nebo krystalická modifikace, jakož i číselná hodnota tepelných účinků, se nazývají termochemické. V termochemických rovnicích, pokud není výslovně uvedeno, jsou uvedeny hodnoty tepelných účinků při konstantním tlaku Q p rovnající se změně entalpie systému. Hodnota je obvykle uvedena na pravé straně rovnice, oddělená čárkou nebo středníkem. Přijímají se tato zkrácená označení pro stav agregace látky: G- plynný, a- něco, Na- krystalický. Tyto symboly se vynechávají, pokud je zřejmý agregační stav látek, například O 2, H 2 atd.
Reakční rovnice je:
CO (g) + 3H2 (g) = CH4 (g) + H20 (g); = ?
Hodnoty standardních tepl tvorby látek jsou uvedeny ve speciálních tabulkách. Uvážíme-li, že skupenství jednoduchých látek se běžně považuje za nulové. Tepelný účinek reakce lze vypočítat pomocí důsledků Hessova zákona:
= (H20) + (CH4) - (CO)];
= (-241,83) + (-74,84) – (-110,52) = -206,16 kJ.
Termochemická rovnice bude:
22,4 : -206,16 = 67,2 : X; x = 67,2 (-206,16)/22a4 = -618,48 kJ; Q = 618,48 kJ.
Odpovědět: 618,48 kJ.
Teplo tvorby
Úkol 86.
Tepelný účinek této reakce se rovná teplu vzniku. Vypočítejte skupenské teplo vzniku NO na základě následujících termochemických rovnic:
a) 4NH3 (g) + 502 (g) = 4NO (g) + 6H20 (1); = -1168,80 kJ;
b) 4NH3 (g) + 302 (g) = 2N2 (g) + 6H20 (1); = -1530,28 kJ
Odpověď: 90,37 kJ.
Řešení:
Standardní skupenské teplo se rovná reakčnímu teplu vzniku 1 molu této látky z jednoduchých látek za standardních podmínek (T = 298 K; p = 1,0325,105 Pa). Vznik NO z jednoduchých látek lze znázornit takto:
1/2N2 + 1/202 = NO
Je dána reakce (a), při které vzniknou 4 moly NO, a daná reakce (b), při které vzniknou 2 moly N2. Na obou reakcích se podílí kyslík. Proto, abychom určili standardní teplo tvorby NO, sestavíme následující Hessův cyklus, tj. musíme odečíst rovnici (a) od rovnice (b):
Tedy 1/2N2 + 1/202 = NO; = +90,37 kJ.
Odpovědět: 618,48 kJ.
Úkol 87.
Krystalický chlorid amonný vzniká reakcí plynů amoniaku a chlorovodíku. Napište termochemickou rovnici pro tuto reakci, nejprve vypočítejte její tepelný účinek. Kolik tepla se uvolní, pokud se při reakci spotřebuje 10 litrů čpavku, počítáno za normálních podmínek? Odpověď: 78,97 kJ.
Řešení:
Reakční rovnice, ve kterých je u symbolů chemických sloučenin uveden jejich stav agregace nebo krystalové modifikace, jakož i číselná hodnota tepelných účinků, se nazývají termochemické. V termochemických rovnicích, pokud není výslovně uvedeno, jsou uvedeny hodnoty tepelných účinků při konstantním tlaku Q p rovnající se změně entalpie systému. Hodnota je obvykle uvedena na pravé straně rovnice, oddělená čárkou nebo středníkem. Byly přijaty následující: Na-- krystalický. Tyto symboly se vynechávají, pokud je zřejmý agregační stav látek, například O 2, H 2 atd.
Reakční rovnice je:
NH3 (g) + HC1 (g) = NH4CI (k). ; = ?
Hodnoty standardních tepl tvorby látek jsou uvedeny ve speciálních tabulkách. Uvážíme-li, že skupenství jednoduchých látek se běžně považuje za nulové. Tepelný účinek reakce lze vypočítat pomocí důsledků Hessova zákona:
= (NH4Cl) – [(NH3) + (HCl)];
= -315,39 – [-46,19 + (-92,31) = -176,85 kJ.
Termochemická rovnice bude:
Teplo uvolněné při reakci 10 litrů amoniaku při této reakci se určí z podílu:
22,4 : -176,85 = 10 : X; x = 10 (-176,85)/22,4 = -78,97 kJ; Q = 78,97 kJ.
Odpovědět: 78,97 kJ.
V praxi se často používají tepelné výpočty. Například při stavbě budov je třeba vzít v úvahu, jaké množství tepla by měla celá otopná soustava objektu dát. Měli byste také vědět, kolik tepla unikne do okolního prostoru okny, stěnami a dveřmi.
Na příkladech si ukážeme, jak provádět jednoduché výpočty.
Musíte tedy zjistit, kolik tepla měděná část při zahřátí přijala. Jeho hmotnost byla 2 kg a teplota vzrostla z 20 na 280 °C. Nejprve pomocí tabulky 1 určíme měrnou tepelnou kapacitu mědi s m = 400 J / kg °C). To znamená, že zahřátí měděné součásti o hmotnosti 1 kg na 1 °C bude vyžadovat 400 J. Pro zahřátí měděné součásti o hmotnosti 2 kg na 1 °C je potřebné množství tepla 2x větší - 800 J. Teplota mědi díl musí být zvýšen o více než 1 °C a při 260 °C to znamená, že bude potřeba 260krát více tepla, tedy 800 J 260 = 208 000 J.
Označíme-li hmotnost jako m, rozdíl mezi konečnou (t 2) a počáteční (t 1) teplotou - t 2 - t 1, získáme vzorec pro výpočet množství tepla:
Q = cm(t2 - ti).
Příklad 1. Železný kotel o hmotnosti 5 kg je naplněn vodou o hmotnosti 10 kg. Kolik tepla je třeba předat kotli s vodou, aby se jeho teplota změnila z 10 na 100 °C?
Při řešení problému je potřeba počítat s tím, že obě tělesa – kotel i voda – se budou ohřívat společně. Mezi nimi dochází k výměně tepla. Jejich teploty lze považovat za stejné, tj. teplota kotle a vody se mění o 100 °C - 10 °C = 90 °C. Ale množství tepla přijatého kotlem a vodou nebude stejné. Koneckonců, jejich hmotnosti a specifické tepelné kapacity jsou různé.
Ohřev vody v hrnci
Příklad 2. Namíchali jsme vodu o váze 0,8 kg o teplotě 25 °C a vodu o teplotě 100 °C o váze 0,2 kg. Byla měřena teplota výsledné směsi a ukázalo se, že je 40 °C. Vypočítejte, kolik tepla odevzdala teplá voda při chlazení a kolik přijala studená voda při zahřátí. Porovnejte tato množství tepla.
Zapišme si podmínky problému a vyřešme jej.
Vidíme, že množství tepla vydaného horkou vodou a množství tepla přijatého studenou vodou jsou stejné. Toto není náhodný výsledek. Zkušenosti ukazují, že pokud dojde k výměně tepla mezi tělesy, pak se vnitřní energie všech topných těles zvýší o tolik, kolik se sníží vnitřní energie chladicích těles.
Při provádění experimentů se obvykle ukazuje, že energie vydávaná horkou vodou je větší než energie přijatá studenou vodou. To se vysvětluje tím, že část energie se předá okolnímu vzduchu a část energie se přenese do nádoby, ve které byla voda smíchána. Rovnost podané a přijaté energie bude tím přesnější, čím menší ztráty energie jsou v experimentu povoleny. Pokud tyto ztráty spočítáte a vezmete v úvahu, bude rovnost přesná.
Otázky
- Co potřebujete vědět, abyste vypočítali množství tepla přijatého tělesem při zahřátí?
- Vysvětlete na příkladu, jak se počítá množství tepla, které se tělesu odevzdává, když se zahřeje nebo uvolní, když se ochladí.
- Napište vzorec pro výpočet množství tepla.
- Jaký závěr lze vyvodit z experimentu míchání studené a horké vody? Proč nejsou tyto energie v praxi stejné?
Cvičení 8
- Kolik tepla je potřeba k ohřátí 0,1 kg vody o 1 °C?
- Vypočítejte množství tepla potřebného k ohřevu: a) litiny o hmotnosti 1,5 kg ke změně její teploty o 200 °C; b) hliníkovou lžičku o hmotnosti 50 g od 20 do 90 °C; c) zděné ohniště o hmotnosti 2 tuny od 10 do 40 °C.
- Kolik tepla se uvolnilo při ochlazení vody o objemu 20 litrů, pokud se teplota změnila ze 100 na 50 °C?
