CHUYÊN ĐỀ NHIỆT ĐỘNG LỰC HÓA HỌC Ho04

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

MỤC LỤC

Trang
PHẦN I - MỞ ĐẦU

2

I. Lí do chọn đề tài

2

II. Mục đích của đề tài:

2

III. Nhiệm vụ của đề tài:

2

PHẦN II - NỘI DUNG

4

Chương I: CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT Ở NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT
ĐỘNG LỰC HỌC HOÁ HỌC.

4

I. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản

1. Một số khái niệm.

4
4

1.1. Hệ và sự phân loại:

4

1.2. Thông số và trạng thái của hệ

5

1.3. Các biến đổi của một hệ:

5

2. Năng lượng

6

3. Nhiệt dung (C)

8

1. Trong trường hợp khơng có cơng W’

10

a. Q trình đẳng tích

10

b. Q trình đẳng áp

10

2. Trong trường hợp có cơng W’

11

c. Quan hệ giữa ∆H và ∆U trong một phản ứng hóa học

13

a. Liên hệ CP và CV

13

b. Định luật Gay luytxac – Jun: nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào
nhiệt độ, khơng phụ thuộc vào thể tích hoặc áp suất. Nên ta có:

13

c. Biểu thức của nguyên lý thứ nhất với khí lý tưởng

13

1

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
III. Cơng và nhiệt của một số q trình đơn giản – thuận nghịch nhiệt động của khí
lý tưởng

14

VII. Sự phụ thuộc của hiệu nhiệt phản ứng vào nhiệt độ - Định luật Kiecsop
(Kirchhof)

20

Chương II: PHÂN DẠNG BÀI TẬP NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
HOÁ HỌC.

22

I. Dạng bài tập tính nhiệt, cơng, ∆U, ∆H của các q trình

22

1. Dạng bài tập với các quá trình biến đổi thuận nghịch nhiệt động học.

22

2. Dạng bài tập với các quá trình biến đổi bất thuận nghịch nhiệt động học.

24

II. Dạng bài tập tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng dựa vào các giá trị năng lượng liên

quan đến phản ứng

29

III. Dạng bài tập tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng dựa vào chu trình Born – Harber
và định luật Hess.

38

IV. Dạng bài tập tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng dựa vào thực nghiệm bom nhiệt
lượng kế.

42

V. Dạng bài tập về cơng có ích của phản ứng hố học (liên quan đến pin điện).

45

VI. Dạng bài tập tính nhiệt độ ngọn lửa trong phản ứng đốt cháy

52

PHẦN III - KẾT LUẬN

54

1. Kết quả thu được của chuyên đề

54

2. Đề xuất ý kiến với việc dạy và học của chuyên đề nhiệt động lực học

54

TÀI LIỆU THAM KHẢO

56

2


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

PHẦN I - MỞ ĐẦU
I. Lí do chọn đề tài
Như chúng ta đã biết hóa lý và hố học lý thuyết là một ngành đã và đang phát
triển trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Việc nghiên cứu về nhiệt động lực học là một
hướng nghiên cứu có nhiều thử thách. Nắm chắc các vấn đề lý thuyết cũng như bản chất
của các quá trình sẽ giúp việc nghiên cứu các vấn đề Hoá lý trở nên dễ dàng hơn.
Nhiệt động lực học là một lĩnh vực rất quan trọng của Hố lý, nó vừa cơ bản lại
vừa khó và ngày càng xuất hiện nhiều trong các kì thi quốc gia cũng như quốc tế. Vấn đề
nhiệt động lực học trong hố học phổ thơng chưa được đề cập nhiều cả về lý thuyết cũng
như hệ thống bài tập. Hệ thống bài tập áp dụng dùng cho học sinh chuyên và bồi dưỡng
học sinh giỏi Quốc gia, Quốc tế cũng chưa được đề cập nhiều.
Hiện nay nội dung về nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học đã được đưa
vào trong tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi, tuy nhiên mới chỉ xuất hiện ở mức độ sơ lược
nhất. Hệ thống các dạng bài tập còn chưa đa dạng, phong phú, sẽ gây khó khăn cho học
sinh trong việc nắm vững kiến thức lý thuyết cũng như giải quyết các bài tập.
Chính vì những lý do trên nên chúng tôi chọn đề tài: “ Nguyên lý thứ nhất của
nhiệt động lực học trong bồi dưỡng học sinh giỏi quốc gia ”.

II. Mục đích của đề tài:
Khái qt hố lại các vấn đề lý thuyết của nguyên lý I, xây dựng hệ thống bài tập,
phân loại chúng một cách đơn giản nhất phục vụ cho bồi dưỡng học sinh giỏi Quốc gia,
Quốc tế.
III. Nhiệm vụ của đề tài:
1- Nghiên cứu lí thuyết về nguyên lý I của nhiệt động lực học trong chương trình hóa
lý và hóa lý thuyết của đại học, khoa Hoá Đại học Sư phạm Hà Nội và tìm hiểu nội dung
giảng dạy hố lý nói chung ở trường Chuyên.
3


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
2- Thống kê, phân loại các bài tập trong tài liệu giáo khoa, sách bài tập cho sinh viên,
học viên cao học trong các tài liệu tham khảo có nội dung liên quan đến nguyên lý I của
nhiệt động lực học. Xây dựng đáp án của từng bài tập có kèm theo những dẫn dắt đánh
giá để có được đáp án. Từ đó xây dựng tiêu chí, cấu trúc các bài tập cho nhóm học sinh
trong đội tuyển dự thi học sinh giỏi Quốc gia
3- Phân tích nội dung nhiệt động lực học trong các đề thi Olympic Quốc gia các nước
và Olympic Quốc tế để thấy được mức độ yêu cầu vận dụng cơ sở lí thuyết ngày càng cao
của các đề thi, từ đó đặt ra nhiệm vụ cho các giáo viên phải có khả năng tự bồi dưỡng
nâng cao trình độ, để khơng những trang bị được kiến thức cơ bản, nâng cao cần thiết cho
các em mà còn phải biết dạy cách học, dạy bản chất vấn đề, giúp học sinh học có hiệu quả
nhất.

4


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

PHẦN II - NỘI DUNG

NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC TRONG BỒI DƯỠNG
HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA
Chương I: CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT Ở NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC HOÁ HỌC.
I. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản
1. Một số khái niệm.
1.1. Hệ và sự phân loại:
a) Hệ vĩ mô: Nhiệt động lực học chỉ nghiên cứu các hệ vĩ mô gồm một số lớn các
tiểu phân (ví dụ 1 ml khí là một hệ vĩ mơ vì nó gồm hàng triệu triệu phân tử khí).
Tập hợp một hoặc nhiều hệ vĩ mô là hệ được nghiên cứu.
b) Hệ nhiệt động (hệ): là phần đang được nghiên cứu (nằm trong vũ trụ) có gianh
giới ngăn cách với mơi trường ngồi
c) Hệ mở: là hệ trao dổi với mơi trường ngồi cả chất và năng lượng: ví dụ siêu
nước đang sơi.
d) Hệ kín: là hệ chỉ trao đổi năng lượng với môi trường ngồi: ví dụ bình kín xảy ra
phản ứng giữa NaOH và H2SO4
e) Hệ cô lập: là hệ không trao đổi cả năng lượng và chất với mơi trường ngồi: ví
dụ phản ứng xảy ra trong bình cách nhiệt hồn tồn (Bình Dewar)
f) Hệ đồng thể là hệ hồn tồn khơng có các bề mặt phân chia, mà các thuộc tính
khơng thay đổi hoặc thay đổi đều từ điểm này đến điểm kia.
g) Hệ dị thể: có các bề mặt phân chia trong hệ.
h) Pha: tập hợp những phần đồng thể giống nhau của một hệ hợp thành một pha.

5


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
1.2. Thông số và trạng thái của hệ
a. Trạng thái của một hệ nhiệt động được xác định bởi một tập hợp của các đại

lượng vĩ mơ có thể đo được như: nhiệt độ, thể tích, áp suất, khối lượng… gọi là
thông số trạng thái
b. Thông số cường độ: là thông số trạng thái không phụ thuộc vào lượng chất của
hệ: nhiệt độ, độ nhớt, chiết suất, nồng độ, áp suất…Các thơng số cường độ khơng
có tính cộng tính
c. Thơng số khuếch độ: là thông số trạng thái tỷ lệ với lượng chất của hệ: khối
lượng, thể tích, số mol…..Đối với hệ đồng nhất các thơng số khuếch độ có tính
cơng tính.
d. Trạng thái dừng: là trạng thái trong đó các thông số của hệ không đổi theo thời
gian. Trạng thái dừng mà khơng có một thơng số dừng nào bị biến đổi do các tác
động bên ngồi, thì hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Một hệ cô lập, khơng
tương tác với bên ngồi nếu chưa đạt trạng thái cân bằng thì sớm hay muộn cũng
sẽ đạt tới trạng thái cân bằng, và tự nó khơng thốt ra được khỏi trạng thái này.
1.3. Các biến đổi của một hệ:
a. Biết đổi thuận nghịch là những biến đổi mà các trạng thái trung gian của hệ trải
qua được xem như trạng thái cân bằng. Hay quá trình từ 1-> 2 là thuận nghịch,
nếu có thể thực hiện được quá trình ngược 2-> 1 đi qua đúng mọi trạng thái trung
gian như lần đi, sao cho khi hệ trở về trạng thái đầu thì khơng tồn tại một biến đổi
nào trong chính hệ cũng như mơi trường xung quanh. Ngược lại là biến đổi bất
thuận nghịch. Tất cả các quá trình có ma sát thì đều là bất thuận nghịch, vì đã có
một phần cơng thốt ra ngồi mơi trường dưới dạng nhiệt (trong thực tế cuộc
sống hầu hết các biến đổi của 1 hệ đều là biến đổi bât thuận nghịch)
b. Biến đổi đoạn nhiệt là biến đổi diễn ra trong điều kiện không trao đổi nhiệt với
môi trường bên ngoài.
c. Biến đổi đẳng áp: là biến đổi diễn ra trong điều kiện áp suất) không đổi.
d. Biến đổi đẳng nhiệt: là biến đổi diễn ra trong điều kiện nhiệt độ không đổi.
6


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

e. Biến đổi đẳng tích: là biến đổi diễn ra trong điều kiện thể tích khơng đổi.
f. Biến đổi đoạn nhiệt – phương trình Poisson
Trong sự giãn đoạn nhiệt hay nén đoạn nhiệt của khí lý tưởng, cả 3 tham số p, V,
T thay đổi đồng thời. Do đó khơng thể áp dụng phương trình trạng thái để tính
biến thiên đồng thời của p,V,T. Nên phải sử dụng của điều kiện đoạn nhiệt là δQ=
0.
(Biến đổi đoạn nhiệt là biến đổi mà hệ không trao đổi nhiệt với môi trường ngồi
nên Q=0)
Phương trình Poisson:

trong đó

Áp dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng vào phương trình Poisson ta sẽ
được: p.V = const
1.4. Hàm trạng thái: là một hàm của các thông số trạng thái mà các giá trị của hàm này
chỉ phụ thuộc vào các thông số trạng thái, mà không phụ thuộc vào các biến đổi hệ
đã trải qua trước đó.
- Nói chung tất cả các tham số trạng thái của hệ đều là hàm trạng thái
- Trong một chu trình, biến thiên của bất kì tham số trạng thái nào cũng đều bằng 0.
- Có những đại lượng không phải là hàm trạng thái của hệ: như nhiệt lượng Q và
cơng A của hệ. Nó khơng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của
hệ, mà còn phụ thuộc vào cách tiến hành của q trình.
- Quy ước dùng kí hiệu  để chỉ những lượng vô cùng nhỏ của những đại lượng
không phải là hàm trạng thái của hệ: Q; A.
- Quy ước dung kí hiệu vi phân d hoặc  cho những biến thiên vô cùng nhỏ của
những tham số là hàm trạng thái. Ví dụ dT, dP, dV, dU, dH,…..
2. Năng lượng
- Năng lượng là đại lượng đo độ vận động của các vật chất, trong mọi biến đổi của
nó từ dạng này sang dạng khác.

7


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
- Đơn vị: J, kJ, cal, kcal, eV, MeV…. Trong đó 1cal = 4,18J; 1eV = 1,602.10 -19J;
1l.atm = 101,33J.
- Định luật bảo tồn và chuyển hố năng lượng ln được áp dụng
- Một q trình giải phóng năng lượng, thì năng lượng có dấu âm “-“ và ngược lại.
2.1. Cơng (A hay W) và nhiệt (Q)
KN: là 2 hình thức trao đổi năng lượng giữa hệ và môi trường
Nếu cơng và nhiệt được giải phóng thì có giá trị âm và ngược lại.
Chú ý: Công và nhiệt không phải là một hàm trạng thái, mà là một hàm của q
trình, nó phụ thuộc vào cách thức tiến hành.
Ví dụ: công giãn nở
 Nếu sự thay đổi là bất thuận nghịch thì P là một hằng số nên:
Wbtn = -P(V2-V1)
 Nếu sự thay đổi là thuận nghịch thì áp suất của hệ khơng phải là một hằng
số

mà

phụ

thuộc

vào

nhiệt

độ

và

thể

tích

nên:

Ví dụ: cơng điện của nguyên tố Ganvani: A = G = -nEF là cơng có ích.
2.2. Nội năng (U): của một hệ là phần năng lượng ứng với sự vận động bên trong của
hệ
- Hàm nội năng là một hàm trạng thái.
- Ví dụ nếu hệ là một pha (khí, lỏng hoặc tinh thể), nội năng của hệ bao gồm:
 Động năng về chuyển động phân tử của hệ: gồm động năng tịnh tiến và động
năng quay, của các phân tử trong hệ.
 Năng lượng tương tác giữa các phân tử
 Năng lượng dao động của các nguyên tử và nhóm nguyên tử chứa trong phân
tử.
 Năng lượng của các mức e điền trong nguyên tử.
8


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
 Năng lượng dự trữ của hạt nhân nguyên tử…. Tóm lại, là bao gồm tất cả các
dạng năng lượng của hệ, trừ động năng chuyển động của toàn hệ và thế năng
do vị trí của hệ trong khơng gian quy định.
- Không đo được nội năng của một hệ, chỉ đo được biến thiên nội năng của hệ đó
U = W + Q
- Nội năng của một hệ cô lập được bảo toàn.

3. Nhiệt dung (C)
a. Khái niệm: là nhiệt lượng để tăng nhiệt độ của hệ lên 1 độ C (độ K)
Đơn vị: J/K…
b. Nhiệt dung riêng: là nhiệt dung quy về một lượng chất bất kỳ
Đơn vị: J/Mol.K; hoặc J/gam.K….
c. Nhiệt dung đẳng áp (CP): là nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của hệ lên 1 độ
trong điều kiện đẳng áp.
CP= QP/dT
d. Nhiệt dung đẳng tích (C V): là nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của hệ lên 1 độ
trong điều kiện đẳng tích.
CV= QV/dT
e. Sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ:
 Nhiệt dung của chất rắn thay đổi theo nhiệt độ thường rõ rệt hơn chất lỏng và
chất khí. Nó bằng 0 ở gần 00K.
 Nhiệt dung của một chất ở thể lỏng thường lớn hơn nhiệt dung của chất đó khi
ở thể rắn hoặc khí. Ví dụ với H2O có
Trạng thái

Rắn

CP(cal/mol.K) 9,1

Lỏng

Khí

18,1

7,8

 Để biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ người ta thường dùng
các công thức nội suy: là những công thức kinh nghiệm rút ra từ những kết
quả đo, hoặc các tài liệu tính tốn. Các cơng thức này có thể sử dụng trong
những khoảng nhiệt độ khá rộng (từ 273K đến vài nghìn K)
9


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
 Hay gặp công thức sau:
CP= a+ b.T+ c.T2+ …..
CP= a+ b.T+ c.T-2
Chú ý: a không phải là nhiệt dung ở O 0K vì giới hạn cuối của nhiệt dung là
ở gần khoảng 2730K

 Với khí lý tưởng đơn nguyên tử như: khí trơ, hơi kim loại, hoặc khi khoảng
nhiệt đơ đang xét khơng q lớn thì C V, CP của khí lý tưởng khơng phụ thuộc
vào nhiệt độ
II.

Ngun lí I của nhiệt động lực học:

1. Nội dung của nguyên lý I
- Đây là nguyên lý được rút ra từ kinh nghiệm của lồi người, có thể phát biểu
ngun lý này theo nhiều cách khác nhau. Lấy một cách nào khởi điểm là có thể
suy ra mọi cách khác.
- Khi một hệ kín thực hiện một chu trình, tổng đại số của các công W và nhiệt Q
mà hệ trao đổi với môi trường bằng 0
- Hay không thể tồn tại động cơ vĩnh cửu loại 1: là một loại động cơ chuyển
động vĩnh viễn, mà không cần phải cung cấp cho nó một năng lượng tương
ứng từ bên ngồi.

B

2
A

1
3

Năng lượng mà hệ trao đổi với mơi
trường ngồi trong mỗi trường hợp là:
W1 + Q1.
W2 + Q2.
W3 + Q3.
Áp dụng ngun lí I vào các chu trình 13 và 2-3 ta được:

W1 + Q1+ W3 + Q3 = 0 và W2 + Q2+ W3 + Q3 = 0

10


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
=> W1 + Q1= W2 + Q2 =….. = const = (W +Q)từ A đến B =UB- UA = ∆U. Đây cũng là một
cách phát biểu khác của nguyên lí I.
Nếu chu trình trên là chu trình của chất khí và sự biến đổi là vơ cùng nhỏ thì
dU=δQ + δW = δQ – PdV (Đây gọi là biểu thức vi phân của nguyên lý 1)
 ∆U = Q
III.

(1)

Nhiệt và hiệu ứng nhiệt của quá trình

Trong trường hợp tổng quát, nguyên lý 1 có thể viết như sau:
dU=δQ + δW + δW’ = δQ – PdV + δW’ (trong đó δW’ là công khác công giãn nở,
thường gặp là công điện trong nguyên tố Ganvani)
Chú ý: Công giãn nở không phải là cơng có ích, vì trong các q trình nó hầu như
khơng được sử dụng, đặc biệt trong các phản ứng hố học. Trừ trường hợp cơng giãn
nở dùng để chạy động cơ như trong chu trình Các – nơ.
1. Trong trường hợp khơng có cơng W’
δQ= dU + PdV
a. Q trình đẳng tích
∆U = Q

(1)

Với sự biến đổi đẳng tích của khí lí tưởng thì dV=0. Nên ∆U = Q. Hay nhiệt đẳng tích
Qv =∆U (bằng sự biến đổi nội năng của hệ)
Toàn bộ nhiệt do hệ hấp thụ trong quá trình này chỉ để làm tăng nội năng của hệ
b. Quá trình đẳng áp
∆U = Q

(1)

Với sự biến đổi đẳng áp thì P= const nên

= P(V2-V1)

 ∆U = Q - P(V2-V1)
 Q= ∆U+ P(V2-V1) Hay với sự biến đổi đẳng áp thì Qp = ∆U+ P(V2-V1)
11

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
Đặt H= U + PV (Entanpi) U là một hàm trạng thái nên H cũng là một hàm trạng
thái, H cũng là một thông số khuếch độ giống U
 ∆H =∆U+ P(V2-V1) =Qp Gọi là nhiệt đẳng áp
Kết luận: Q không phải là một hàm trạng thái, tuy nhiên đối với hệ mà khơng có
cơng nào khác ngồi cơng giãn nở, thì có 2 trường hợp riêng Q chỉ phụ thuộc vào
trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ là q trình đẳng áp và đẳng tích:
- Nhiệt đẳng áp (t0 , P =const) QP = ∆H
- Nhiệt đẳng tích (t0 , V =const) QV = ∆U
2. Trong trường hợp có cơng W’
dU=δQ + δW + δW’ = δQ – PdV + δW’
 δQ + δW’= dU+PdV Gọi là hiệu ứng nhiệt của q trình
a. Q trình đẳng tích
Tương tự trên ta suy ra QV = ∆U- W’
Như vậy trong trường hợp hệ thực hiên cơng có ích W’, thì nhiệt của phản ứng
khơng cịn bằng biến thiên nội năng của hệ. Chỉ có hiệu ứng nhiệt mới bằng biến
thiên nội năng.
b. Quá trình đẳng áp
Suy luận một cách tương tự ta có QP = ∆H- W’
Như vậy trong q trình thực hiện cơng W’ nhiệt đẳng áp khơng bằng biến thiên
Entanpi của hệ
3. Nhiệt và hiệu ứng nhiệt của phản ứng hoá học
a. Khái niệm:
 Nhiệt: là nhiệt lượng kèm theo (toả ra hoặc thu vào của phản ứng)
 Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng: là năng lượng giải phóng ra hoặc thu vào
của một phản ứng (nó bao gồm nhiệt toả ra hoặc thu vào và cơng có ích (nếu
có) mà phản ứng đó thực hiện).
b. Hiệu ứng nhiệt trong phản ứng thuận nghịch và bất thuận nghịch.

12


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
 Do U và H là các hàm trạng thái, nên một phản ứng hoá học diễn ra trong điều
kiện thuận nghịch hoặc bất thuận nghịch thì giá trị ∆H và ∆U là như nhau.
 Một phản ứng hoá học diễn ra ln có cơng hố học có ích (ví dụ có thể chuyển
thành cơng điện cho bên ngồi), cơng này là lớn nhất khi phản ứng này diễn ra
trong điều kiện thuận nghịch.
 Với phản ứng hoá học diễn ra thuận nghịch đẳng tích thì
∆U = QV/tn + W’max
mà

∆Utn =

∆Ubtn là hiệu ứng nhiệt của phản ứng (vì pdV=0)

nếu với phản ứng đó xảy ra trong điều kiện bất thuận nghịch đẳng tích mà khơng
thực hiện cơng có ích thì Qbtn =

∆Ubtn

 Qbtn = QV/tn + W’max là hiệu ứng nhiệt của phản ứng
 Với phản ứng hoá học diễn ra trong điều kiện đẳng áp cũng tương tự:
∆H = QP/btn = QP/tn + W’max là hiệu ứng nhiệt của phản ứng
 Ví dụ 1: Xét phản ứng Zn+ CuSO4 = ZnSO4 + Cu
Thực hiện trong 2 điều kiện sau:
Trường hợp 1: Thực hiện trong một bình phản ứng ở 25 0C, 1 atm thì nó toả ra
một nhiệt lượng là 55200cal/mol
Trường hợp 2: Phản ứng diễn ra trong một nguyên tố Ganvani ở 25 0C, 1 atm (pin

Đanien) thì nhiệt lượng toả ra là 4800Cal/mol.
Hãy tính suất điện động của pin Đanien trên.
HD: Đây là một phản ứng hoá học thực hiện theo những cách khác nhau trong
điều kiện đẳng áp, nên ∆H trong cả 2 trường hợp là như nhau.
Trường hợp 1: khơng thực hiện cơng có ích, nên ∆H = QP/btn.
Trường hợp 2: thực hiện công có ích, nên ∆H = QP/tn + Wđiện= QP/tn +(-nEF)
Nên ta có: QP/btn= QP/tn +(-nEF)
 E =( -55200- (-4800)). 4,18/(-2.96500) = 1,091V
c. Quan hệ giữa ∆H và ∆U trong một phản ứng hóa học
Một phản ứng hố học thực hiện trong điều kiện đẳng áp thì
13


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
∆H= ∆U+ P∆V = ∆U +∆nRT
Trong đó:
 ∆n: là hiệu số mol khí của Sản phẩm – tham gia (có tính đến hệ số của các
chất)
 R=8,314 J.mol-1.K-1
 T là nhiệt độ Kenvil
4. Nhiệt dung mol đẳng áp Cp và nhiệt dung mol đẳng tích Cv
a. Liên hệ CP và CV
và
Nhận xét: Với khí lí tưởng: Cp- Cv
Hay với n là số mol khí lí tưởng đang xét thì: Cp- Cv=nR
b. Định luật Gay luytxac – Jun: nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ,
khơng phụ thuộc vào thể tích hoặc áp suất. Nên ta có:
T2

Với n mol khí lý tưởng: ∆U=n . ∫ C V dT

T1
T2

∆H=n . ∫ C P dT
T1

c. Biểu thức của nguyên lý thứ nhất với khí lý tưởng
Theo nguyên lý thứ nhất dU = δQ + δW = δQ – PdV
dV

 δQ= dU+PdV = nCVdT + PdV= nCVdT + P V

Thay CV = CP- R ta được δQ= n(CP –R)dT + PdV= nCP dT– nRdT + PdV
= nCP dT- d(PV) +PdV = nCP dT- PdV-VdP+ PdV = nCP dT- VdP
dP

 δQ= nCP dT-nRT. P

 Vậy biểu thức nguyên lý 1 của khí lý tưởng như sau:
dV

dP

 δQ= nCVdT + P V = nCP dT-nRT. P

14


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
III. Cơng và nhiệt của một số q trình đơn giản – thuận nghịch nhiệt động của

khí lý tưởng
1. Quá trình đẳng tích
dV = 0 nên cơng giãn nở P.dV = 0
Nhiệt δQ= dUV =nCVdT
T2

 QV = ∆U = n∫ C V dT . Điều này có nghĩa là nhiệt do khí toả ra ngồi được lấy từ
T1

nội năng của khí.
Chú ý: Nếu khí lý tưởng là khí đơn nguyên tử như khí trơ, hơi kim loại, hoặc khi
khoảng nhiệt đơ đang xét khơng q lớn thì C V của khí lý tưởng khơng phụ thuộc
vào nhiệt độ, thì QV = ∆U =nCV(T2- T1)
2. Q trình đẳng áp (P= const)
V2

Cơng W = ∫ pdV = p(V2- V1) = nR (T2- T1) = nR.∆T
V1

T2

Nhiệt: tương tự q trình đẳng tích ta có QP = ∆H = n∫ C P dT
T1

Chú ý: Nếu khí lý tưởng là khí đơn nguyên tử như khí trơ, hơi kim loại, hoặc khi
khoảng nhiệt đơ đang xét khơng q lớn thì CP của khí lý tưởng khơng phụ thuộc vào
nhiệt độ, thì QP = ∆H =nCP(T2- T1)
3. Quá trình đẳng nhiệt (T= const)
∆U = ∆H = 0
Cơng và nhiệt có mối quan hệ như sau:

2

2

1

1

Q =-W = ∫ pdV = ∫ nRT

V2
P1
dV
= nRTln V 1 = nRTln P 2
V

4. Quá trình đoạn nhiệt
Theo nguyên lý I ∆U = Q+W. Đối với quá trình đoạn nhiệt Q=0,
Nên W = ∆U
Vì khí khơng nhận nhiệt từ bên ngồi nên công sinh ra do sự giãn nở lấy từ nội năng
của khí, nên nhiệt độ của khí giảm đi, khí lạnh đi khi giãn nở đoạn nhiệt.
15


T2

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

W =∆U = n∫ C V dT . Nếu CV của khí lý tưởng khơng phụ thuộc vào nhiệt độ thì
T1

W = nCV(T2- T1)
Áp dụng phương trình Poisson cho quá tình biến đổi đoạn nhiệt ta sẽ tìm được T 2 từ
đó xác định được cơng của q trình biến đổi đoạn nhiệt.
IV. Công và nhiệt của một số quá trình đơn giản bất thuận nghịch nhiệt động.
1. Quá trình đẳng nhiệt bất thuận nghịch
Ví dụ: ta xét q trình giãn đẳng nhiệt từ áp suất P1 đến áp suất P2. Quá trình bất
thuận nghịch diễn ra rất nhanh (giống như q trình quả bóng bay bị vỡ), nên hệ rất
nhanh chóng đạt đến áp suất P2, nhanh đến mức mà ta có thể coi áp suất P 2 là áp suất
của hệ trong suốt quá trình giãn nở.
V2

W = -∫ P 2 dV = -P2(V2- V1)
V1

2. Quá trình đoạn nhiệt bất thuận nghịch
Ví dụ: Q trình giãn đoạn nhiệt bất thuận nghịch, của khí đơn nguyên tử, lý tưởng,
đột ngột từ áp suất P1 đến P2:
Q =0 nên: W =∆U = nCV(T2-T1)
Ta thấy quá trình giảm áp diễn ra đột ngột, nên áp suất P 2 có thể coi là áp suất của hệ
trong tồn bộ q trình biến đổi nên W = -P2(V2- V1)
 nCV(T2-T1) = -P2(V2- V1) (Nếu biết V1, T1, P2, CV)
 nCV.T2+nRT2 =nCV.T1+ P2V1
 T2 =

n C V . T 1 + P2 V 1
n .CP

 V2 = nR.T2/P2
Chú ý: Phương trình Poisson chỉ đúng cho q trình đoạn nhiệt thuận nghịch, khơng

thể áp dụng trong trường hợp biến đổi bất thuận nghịch này
3. Với các q trình biến đổi bất thuận nghịch khác:
vẫn có thể tính tốn các đại lượng nhiệt và cơng với q trình này, bằng cách
chia nhỏ q trình đó thành các quá trình thuận nghịch
16


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
Ví dụ: (ta sẽ xét cụ thể trong phần bài tập minh hoạ bên dưới)
V.

Chu trình thuận nghịch Carnot với khí lý tưởng

A

P

Trong đó :
- AB, CD là q trình
đẳng nhiệt, thuận

B

nghịch.
- BC, DA là quá trình

D

đoạn nhiệt thuận

C

nghịch
VA
VI.

VD

VB

VC

V

Áp dụng ngun lý thứ nhất

vào các q trình hố học

1. Một số khái niệm
a. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng thực hiện trong
điều kiện đẳng tích hay đẳng áp là năng lượng giải phóng ra hoặc thu vào. (Nó là
tổng của nhiệt phản ứng thực hiện trong điều kiện thuận nghịch nhiệt động, cộng
với công có ích cực đại mà phản ứng có khả năng thực hiện trong điều kiện thuận
nghịch nhiệt động đó)
b. Điều kiện chuẩn:
- Là điều kiện áp suất 1 atm, chất được xét là chất nguyên chất ở trạng thái tập hợp
bền nhất hoặc thơng thường nhất của chất đó trong điều kiện đã cho.
- Ví dụ: Trạng thái chuẩn của Cacbon là than chì mà khơng phải kim cương.
Trạng thái chuẩn của S là S rombic mà không phải S đơn tà.
Trạng thái chuẩn của oxi là O2….

- Ký hiệu trạng thái chuẩn bằng cách thêm số 0 vào phía trên bên phải của đại
lượng đang xét và thường ghi nhiệt độ ở trạng thái chuẩn đó. Q0298, ∆H0298, …..
17


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
- Khi nhiệt độ ở 298,15K (250C) thì ta có trạng thái chuẩn ở nhiệt độ chuẩn.
c. Phương trình nhiệt hố học.
Là phương trình hố học có ghi rõ hiệu ứng nhiệt và trạng thái của các chất trong
phản ứng.
2. Định luật Hess:
Hiệu ứng nhiệt của phản ứng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của
phản ứng, không phụ thuộc vào cách thực hiện phản ứng
3. Các đại lượng nhiệt của phản ứng và cách tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng
từ các đại lượng đó
a. Sinh nhiệt: (hay nhiệt tạo thành- nhiệt hình thành) của một chất là hiệu ứng nhiệt
của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất bền (chuẩn)
- Ký hiệu ∆Hsinh, ∆Htạo thành, ∆Hf.
- Đơn vị J/mol, cal/mol……
- Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ∆Hpứ =(∆Hsinh) sản phẩm - (∆Hsinh) tham gia
b. Nhiệt phân huỷ
- Là hiệu ứng nhiệt của phản ứng phân huỷ một chất thành các đơn chất bền
- Ký hiệu ∆Hphân huỷ.
- Đơn vị J/mol, cal/mol……
- Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ∆Hpứ =(∆Hph) tham gia - (∆Hph) sản phẩm
c. Nhiệt cháy (thiêu nhiệt).
- Nhiệt cháy (thiêu nhiệt) của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy
hồn tồn 1 mol chất đó tạo thành các oxit cao của các nguyên tố tương ứng.
- Ký hiệu ∆Hcháy hay ∆Hđc
- Đơn vị J/mol, cal/mol……

- Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ∆Hpứ =(∆Hcháy) tham gia - (∆Hcháy) sản phẩm
d. Năng lượng liên kết
- Là năng lượng toả ra khi tạo thành liên kết từ các nguyên tử ở trạng thái cơ bản.
- Ký hiệu Eliên kết (ln có dấu âm “-“)
18


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
- Đơn vị J/mol, cal/mol……
- Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ∆Hpứ =( Eliên kết) sản phẩm - ( Eliên kết) tham gia
- Chú ý: cũng có thể sử dụng khái niệm năng lượng phản liên kết thay cho khái
niệm năng lượng liên kết, nên khi làm dạng bài tập này ta phải chú ý tới dấu của
năng lượng liên kết được cung cấp
e. Các đại lượng nhiệt khác mà ta có thể sử dụng trong q trình tính hiệu ứng
nhiệt của phản ứng
- Gồm: Năng lượng ion hoá, ái lực electron, nhiệt chuyển pha , nhiệt hidrat hoá,
năng lượng mạng lưới tinh thể, nhiệt hồ tan
Năng lượng ion hố: Là năng lượng cần cung cấp để tách 1 e ra khỏi hệ ở trạng
thái cơ bản: I1, I2, …. (có đơn vị J/mol, cal/mol, eV… Có dấu dương “+”)
Ái lực electron là năng lượng kèm theo quá trình nhận thêm e của hệ ở trạng thái
cơ bản. Nếu hệ đó là ngun tử phim kim và q trình nhận là nhận 1 e thì ái lực
e thường là năng lượng toả ra. (có đơn vị J/mol, cal/mol, eV…)
Nhiệt chuyển pha
 Nhiệt chuyển pha là năng lượng toả ra hoặc thu vào khi một mol chất
chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác (ở nhiệt độ chuyển pha)
 Gồm có: nhiệt nóng chảy (∆H nc>0), nhiệt hố rắn (∆H hr<0), nhiệt hoá hơi
(∆Hhh>0), nhiệt thăng hoa (∆Hth>0), nhiệt chuyển dạng thù hình (Từ dạng
thù hình bền sang kém bền ∆H>0), nhiệt nguyên tử hoá với tinh thể kim
loại (∆Hnt>0),
Nhiệt hidrat hố (nhiệt solvat hố với một dung mơi bất kỳ)

 Là nhiệt lượng toả ra khi một ion ở trạng thái khí kết hợp với nước để
thành ion bị hidrat hoá. (∆H< 0),
 Nhiệt hidrat hoá phụ thuộc vào điện tích và bán kính của ion (bán kính ion
càng nhỏ, điện tích ion càng âm hoặc càng dương thì nhiệt toả ra càng
nhiều)
Năng lượng mạng lưới tinh thể ion
19


Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016
 Là năng lượng toả ra khi hình thành một mol chất ở dạng tinh thể từ các ion
ở trạng thái khí. (Uml <0)
 Là năng lượng cần thiết để phá vỡ tinh thể ion thành các ion ở trạng thái
khí. (Uml >0)
Nhiệt hồ tan
 Là nhiệt lượng toả ra hay thu vào khi hoà tan một mol chất vào dung mơi
(thường là nước)
4. Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng dựa vào chu trình Born – Harber
Ví dụ: Tính năng lượng mạng lưới của KBr . Biết
∆H sinh tinh thể KBr = – 392,0 kJ/mol
∆H bay hơi của brom = 30,7 kJ/mol
∆H nguyên tử hoá của kali = 90,0 kJ/mol
∆H tạo thành Br – Br = – 193,0 kJ/mol
ái lực electron của Br = – 333,0 kJ/mol
Năng lượng ion hóa của K = 419,0 kJ/mol
HD: Có chu trình Born – harber của phản ứng trên như sau

∆Hth>0

I1>0

K(r)

+

1/2Br2(lỏng)
1/2∆Hhh>0
1/2Br2(k)
Elk/2>0

K(k)

K+(k)

KBr(r)

+

EA

 ∆Hphản ứng = ∆Hth +

∆Hphản ứng

Uml<0

Br(k)
Br-(k)

I1 + 1/2∆Hhh + Elk/2 + EA + Uml

 Uml = ∆Hphản ứng - ∆Hth - I1 - 1/2∆Hhh - Elk/2 - EA
 Uml = -392-90- 419- 30,7/2 – 193/2 – (-333) =
5. Thực nghiệm xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng bom nhiệt lượng
kế
20