Điều kiện cân bằng, điều kiện tự diễn biến của các quá trình hoá học theo quan điểm của nhiệt động học. Áp dụng cho quá trình tổng hợp NH3 trong công nghiệp

Nhóm 4 - K34B-SPHóa
Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2
Khoa: Hóa học
Bộ môn: Hóa lý1
BÀI TIỂU LUẬN:
Điều kiện cân bằng, điều kiện tự diễn biến của các quá trình hoá
học theo quan điểm của nhiệt động học. Áp dụng cho quá trình tổng
hợp NH
3
trong công nghiệp
Ví dụ về các nhà máy sản xuất NH
3
Giảng viên bộ môn: Trần Quang Thiện
Người thực hiện:
1. Nguyễn Văn Anh
2. Đinh Thị Hồng Vân
3. Trần Thu Trang
4. Đoàn Thị Minh Trang
5. Dương Thị Hồng Vân
6. Đào Thị Thanh Tuyền
7. Hà Thị Tuyết
Xuân Hoà, ngày 22 tháng 10 năm 2009
1
Nhóm 4 - K34B-SPHóa
GIỚI THIỆU
Như chúng ta đã biết, một hệ cô lập không tương tác với bên ngoài, nếu chưa
ở vào trạng thái cân bằng thì theo thời gian sớm hay muộn bao giờ cũng tự đi tới
trạng thái cân bằng nhiệt động.
Mặt khác trong những nhiệm vụ cơ bản của nhiệt động lực hoá học là giải
quyết các câu hỏi: Trong những điều kiện nào, một phản ứng hoá học nào đó có thể
tự diễn ra hay không? Mặt khác, nếu phản ứng diễn được, thì nó diễn ra cho tới giới

hạn nào, khi nào dừng lại, điều kiện cân bằng ra sao, các sản phẩm thu được với hiện
suất bao nhiều.
⇒
Chính vì vậy thông qua đề tài này chúng em muốn tìm hiểu về điều kiện
cân bằng điều kiện tự diễn biến của một quá trình hoá học từ đó áp dụng cho cân
bằng hoá học để xét những yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng của một phản ứng hoá
học.
Đồng thời áp dụng các yếu tố vừa xét vào phản ứng tổng hợp NH
3
2 2 3
3 2N H NH+ ƒ
Một trong những chất được sản xuất nhiều nhất trong công nghiệp để sử dụng
trong sản xuất phân bón và trong các ngành công nghiệp hoá chất khác.
2
Nhóm 4 - K34B-SPHóa
I. Nội dung
I.1. 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 tốn một công do hệ sinh ra.
Cụ thể: Xét về điều kiện cân bằng hệ ở trạng thái cân bằng là hệ trong những
điều kiện cho sẵn không có khả năng sinh công hữu ích.
+ Từ đó suy ra điều kiện cần của quá trình cân bằng là: (với hệ kín)
dG = 0 nếu T, P = const
dH= 0 nếu S,P = const
dF= 0 nếu T, V= const
dU= 0 nếu S, Vconst
+ Điều kiện đủ :

d
2
U > 0 nếu S, V = const
d
2
G > 0 nếu P, T = const
d
2
H > 0 nếu S, P = const
d
2
F > 0 nếu V, T = const
+ Đối với hệ cô lập:
dS = 0 hay S = S
max
d
2
S < 0
- Quá trình tự diễn biến là quá trình mà nó có thể tiến hành mà không cần cung
cấp công từ bên ngoài.
Tức là: dG < 0 nếu P, T = const dH < 0 nếu S, P = const
dF < 0 nếu V, T = const dU < 0 nếu S, V = const
+ Đối với hệ cô lập theo nguyên lý II khẳng định, các quá trình sẽ tự diễn biến
theo chiều tăng entropi
0dS⇔ >
- 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.
3
Nhóm 4 - K34B-SPHóa

I.1.1. Tiêu chuẩn dựa vào entrôpi.
Theo nguyên lý II: trong hệ cô lập ( hệ cô lập là hệ có nội năng U không đổi,
ngoài ra thể tích V của nó cũng không đổi ) thì.
0dS ≥
Như vậy trong hệ cô lập quá trình chỉ có thể tự diễn ra tự nhiên theo chiều ứng
với điều kiện
( )
,
0
u v
dS >
. Khi quá trình không thuận nghịch đó dừng lại, entropi đạt
giá trị cực đại
⇒
Hệ ở trạng thái cân bằng.
( )
,
0
u v
dS =
Đó là điều kiện cân bằng trong hệ cô lập.
I.1.2. Tiêu chuẩn thế nhiệt động
Từ biểu thức nguyên lí I và nguyên lý II ta có:
'dU TdS A TdS PdV A
δ δ
≤ − = − −
( )
'd U PV dH TdS VdP A
δ
⇔ + = ≤ + −

( )
'd U TS dF SdT PdV A
δ
− = ≤ − − −
( )
'd U TS PV dG SdT VdP A
δ
− + = ≤ − + −
Trong đó
,
A
δ
là công mà hệ thực hiện ngoài công giãn nở thể tích xét khi
' 0A
δ
=
ta có dấu
" "
<
sẽ ứng với quá trình không thuận nghịch
⇒
quá trình tự
diễn biến.
Dấu “=” sẽ ứng với quá trình thuận nghịch
→
điều kiện cân bằng xét từng
trường hợp cụ thể:
dG SdT VdP≤ − +
Khi T, P = const
0dG→ ≤

Như vậy điều kiện tự diễn biến
0dG <
Điều kiện cân bằng
0dG =
khi đó hàm G phải đạt giá trị cực tiểu
dF SdT PdV≤ − −
Khi T, V = const
0dF→ ≤
Điều kiện tự diễn biến
0dF <
Điều kiện cân bằng
0dF =
khi đó
,T V
F
đạt được giá trị cực tiểu
dH TdS VdP≤ +
4
Nhóm 4 - K34B-SPHóa
Khi
, 0S P const dH= → ≤
Điều kiện tự diễn biến:
0dH <
Điều kiện cân bằng:
0dH =
khi đó
,S P
H
đạt được giá trị cực tiểu
dU TdS PdV≤ −

Khi
, 0S V const dU= → ≤
Điều kiện tự diễn biến
0dU <
Điều kiện cân bằng:
0dU =
khi đó
,S V
dH
đạt được giá trị cực tiểu .
* Với những trường hợp hệ thực hiện công khác ngoài công giãn nở thể tích ta
vẫn có thể tìm ra được điều kiện tự diễn biến và không tự diễn biến dựa vào những
tiêu chuẩn trên bằng cách.
Biểu diễn:
1 1 2 2
' ...
i i
SA Y dX Y dX Y dX= + + +
∑
Để xác định chiều của quá trình và điều kiện cân bằng, ta phải giữ cố định
những cặp tham số a, b tương ứng với thể nhiệt động khảo sát mà cả những đại lượng
( )
2
0, 0...
i i
X dX dX= =
làm cho
' 0A
δ
=

⇒
Điều kiện cân bằng tổng quát
( )
, ,
0
i
a b X
d
φ
=
và
, ,
min
i
a b X
φ
=
với
φ
là U, F, G, H
Điều kiện tự diễn biến:
( )
,
0
i
ab X
d
φ
<
I.1.3. Sự tương đương về các tiêu chuẩn về điều kiện cân bằng và tự diễn biến .

- Những tiêu chuẩn khác nhau tìm thấy ở trên là tương đương nhau, ta có thể
chứng minh một vài trường hợp:
Ví dụ 1: Xét điều kiện
0dU ≤
nghĩa là quá trình chỉ có thể diễn ra theo chiều
giảm U và khi có cân bằng thì U đạt cực tiểu nhưng ta cũng có:
dU TdS PdV≤ −
dU PdV
TdS dU PdV dS
T
+
⇔ ≥ + ⇔ ≥
Với hệ cô lập
, 0U V const dS= → ≥
nghĩa là quá trình chỉ có thể diễn ra
theo chiều tăng S và khi có cân bằng thì S là cực đại.
Ví dụ 2: Xét
0dH ≤
tức là quá trình tự diễn biến theo chiều giảm entropi H
và khi có cân bằng thì H là cực tiểu.
5