Hur förändras den ideala gasens inre energi? Beräkna också q. (3p)

Relevanta dokument
jämvikt (där båda faserna samexisterar)? Härled Clapeyrons ekvation utgående från sambandet

Lösningsförslag. Tentamen i KE1160 Termodynamik den 13 januari 2015 kl Ulf Gedde - Magnus Bergström - Per Alvfors

Bestäm brombutans normala kokpunkt samt beräkna förångningsentalpin H vap och förångningsentropin

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Tentamen i kemisk termodynamik den 17 januari 2014, kl

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 13-18

Tentamen i kemisk termodynamik den 12 juni 2012 kl till (Salarna L41, L51 och L52)

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Tentamen i Termodynamik för K och B kl 8-13

Godkänt-del. Hypotetisk tentamen för Termodynamik och ytkemi, KFKA10

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Godkänt-del A (uppgift 1 10) Endast svar krävs, svara direkt på provbladet.

Tentamen i KFK080 Termodynamik kl 08-13

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Repetition F12. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Tentamen i Kemisk termodynamik kl 14-19

Övningstentamen i KFK080 för B

Tentamen KFKA05 och nya KFK080,

Godkänt-del. Hypotetisk tentamen för Termodynamik och ytkemi, KFKA10

Tentamen i Kemisk termodynamik kl 8-13

Tentamen KFK080 för B,

Föreläsning 2.3. Fysikaliska reaktioner. Kemi och biokemi för K, Kf och Bt S = k lnw

Godkänt-del A (uppgift 1 10) Endast svar krävs, svara direkt på provbladet.

Repetition F9. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi. Spontanitet Entropi Fri energi Jämvikt

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Allmän kemi. Läromålen. Viktigt i kap 17. Kap 17 Termodynamik. Studenten skall efter att ha genomfört delkurs 1 kunna:

Tentamen KFKA05 Molekylära drivkrafter 1: Termodynamik,

Repetition F10. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Tentamen, Termodynamik och ytkemi, KFKA01,

Repetition F11. Molär Gibbs fri energi, G m, som funktion av P o Vätska/fasta ämne G m G m (oberoende av P) o Ideal gas: P P. G m. + RT ln.

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2, Kf2 och TM (KVM091 och KVM090) kl och lösningsförslag

Kapitel 6. Termokemi

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Kapitel 6. Termokemi

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2, Kf2 och TM2 (KVM091 och KVM090) kl

4. Kemisk jämvikt när motsatta reaktioner balanserar varandra

Tentamen i Termodynamik Q, F, MNP samt Värmelära för kursen Värmelära och Miljöfysik 20/8 2002

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2, Kf2 och TM2 (KVM091 och KVM090) kl

Övningar Homogena Jämvikter

Kemisk Dynamik för K2, I och Bio2

Innehåll. Energibalans och temperatur. Termer och begrepp. Mål. Hur mycket energi. Förbränning av fasta bränslen

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2, Kf2 och TM2 (KVM091 och KVM090) kl

Skrivning i termodynamik och jämvikt, KOO081, KOO041,

SF1513 NumProg för Bio3 HT2013 LABORATION 4. Ekvationslösning, interpolation och numerisk integration. Enkel Tredimensionell Design

Repetition F8. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2, Kf2 och TM2 (KVM091 och KVM090) kl

David Wessman, Lund, 29 oktober 2014 Statistisk Termodynamik - Kapitel 3. Sammanfattning av Gunnar Ohléns bok Statistisk Termodynamik.

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2, Kf2 och TM2 (KVM091 och KVM090) kl

Innehåll. Energibalans och temperatur. Termer och begrepp. Mål. Squad task 1. Förbränning av fasta bränslen

Repetition F4. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Energibalans och temperatur. Oorganisk Kemi I Föreläsning

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2 och Kf2 (KVM090) kl i V

Termodynamik Föreläsning 7 Entropi

Termodynamik Föreläsning 4

Farmaceutisk fysikalisk kemi, A6. Föreläsning: Faslära PH

Kapitel Kapitel 12. Repetition inför delförhör 2. Kemisk kinetik. 2BrNO 2NO + Br 2

Kapitel Repetition inför delförhör 2

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2 och Kf2 (KVM091 och KVM090) förmiddag

Jämviktsuppgifter. 2. Kolmonoxid och vattenånga bildar koldioxid och väte enligt följande reaktionsformel:

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Tentamen KFKA05 för B, kl 14-19

Tentamen i Kemi för miljö- och hälsoskyddsområdet: Allmän kemi och jämviktslära

Tentamen KFKA05,

Kap 7 entropi. Ett medium som värms får ökande entropi Ett medium som kyls förlorar entropi

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk mekanik för F3

Entropi. Det är omöjligt att överföra värme från ett "kallare" till ett "varmare" system utan att samtidigt utföra arbete.

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2, Kf2 och TM2 (KVM091 och KVM090) kl

EGENSKAPER FÖR ENHETLIGA ÄMNEN

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Fast fas Flytande fas Gasfas

Om trycket hålls konstant och temperaturen höjs kommer molekylerna till slut att bryta sig ur detta mönster (sublimation eller smältning).

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Flytande fas Gasfas

Välkommen till kursen. Termodynamik HT- 15

Kapitel 5. Gaser. är kompressibel, är helt löslig i andra gaser, upptar jämt fördelat volymen av en behållare, och utövar tryck på sin omgivning.

Allmän Kemi 2 (NKEA04 m.fl.)

KURSPROGRAM Inledande kemi (5)

Kapitel 11. Egenskaper hos lösningar. Koncentrationer Ångtryck Kolligativa egenskaper. mol av upplöst ämne liter lösning

Kapitel 10. Vätskor och fasta faser

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Flytande fas Gasfas

KURSPROGRAM Inledande kemi (5)

Tentamen, Termodynamik och ytkemi, KFKA01,

FUKTIG LUFT. Fuktig luft = torr luft + vatten m = m a + m v Fuktighetsgrad ω anger massan vatten per kg torr luft. ω = m v /m a m = m a (1 + ω)

Kapitel 11. Egenskaper hos lösningar

Kapitel 10. Vätskor och fasta faser

Till alla övningar finns facit. För de övningar som är markerade med * finns dessutom lösningar som du hittar efter facit!

mg F B cos θ + A y = 0 (1) A x F B sin θ = 0 (2) F B = mg(l 2 + l 3 ) l 2 cos θ

Repetition F7. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Galenisk och Fysikalisk kemi för Receptarieprogrammet. Övningsexempel i Fysikalisk kemi

(tetrakloroauratjon) (2)

Föreläsning. Termodynamik och Förbränning 26/

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2 och Kf2 (KVM091 och KVM090) kl

Tentamen i Allmän kemi 7,5 hp 5 november 2014 ( poäng)

TENTAMEN KEM 011, DEL A och B

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Fredagen den 31 augusti 2007 kl 8:30-12:30 i M. Man får svara på svenska eller engelska!

Transkript:

entamen i kemisk termodynamik den 4 juni 2013 kl. 14.00 till 19.00 Hjälpmedel: Räknedosa, BEA och Formelsamling för kurserna i kemi vid KH. Endast en uppgift per blad! Skriv namn och personnummer på varje blad! 1a) En ideal gas komprimeras från en volym V 1 till volymen V 2. Processen är reversibel och temperaturen är konstant. Visa att arbetet som görs på gasen (w) är: w = nr ln V 1 V 2 Hur förändras den ideala gasens inre energi? Beräkna också q. (3p) b) Beräkna entalpiändringen H och entropiändringen S då 0.20 mol kvävgas (N 2) samtidigt värms upp och komprimeras från 298 K och 1.00 bar till 373 K och 3.00 bar. N 2 kan betraktas som en ideal gas i det aktuella temperatur och tryckintervallet. Den molära värmekapaciteten för N 2 (g) är C p = 29.125 J K 1 mol 1. (3p) c) Beräkna H och S för samma gas med begynnelsetillståndet 298 K och 1.00 bar då den komprimeras reversibelt och adiabatiskt (= värmeisolerat) till sluttrycket 3.00 bar. (4p) 2a) Härled Clausius-Clapeyrons ekvation utgående från uttrycket för den kemiska potentialen µ = S md + V mdp och villkor för jämvikt mellan två faser (vätska och gas). (3p) b) Ångtrycket i Pascal för dietyleter ges av följande empiriska samband ln p = 49.93 5074 3.966 ln Beräkna förångningsentalpin H vap och förångningsentropin S vap för dietyleter vid dess normala kokpunkt. (3p) c) Beräkna molbråken av dietyleter respektive pentan i ångfasen som bildas då lika mängder dietyleter och pentan blandas vid 25 C. Anta att dietyleter bildar en ideal vätskeblandning med pentan. Den normala kokpunkten för pentan är 36 C och förångningsentalpin är H vap = 25.79 kj mol 1. (4p) 3a) Le Chateliers princip kan formuleras på följande sätt: Om det görs en förändring i ett system som är i jämvikt så sker alltid en reaktion som motverkar ändringen. Utgå från van t Hoffs ekvation för jämviktskonstantens temperaturberoende och förklara varför Le Chateliers princip gäller då temperaturen för en kemisk reaktion ändras. (3 p) b) Svaveldioxid bildas i samband med förbränning av fossilt kol. Svaveldioxiden reagerar i sin tur med luftsyre enligt reaktionen 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g) Beräkna utifrån nedanstående termodynamiska data den termodynamiska jämviktskonstanten vid 25 C för bildandet av svaveltrioxid enligt reaktionen ovan. Beräkna även mol-

förhållandet mellan SO 3 och SO 2 i atmosfären vid 25 C. Partialtrycket för syrgas i atmosfären är 0.20 bar. (3p) c) Vid hög luftfuktighet reagerar i sin tur svaveltrioxiden vidare med vattenånga SO 3 (g) + H 2 O(g) H 2 SO 4 (l) och bildar små kolloidala vätskepartiklar (aerosol) som ger upphov till så kallad industriell smog (även kallad Londonsmog). En vinterdag i en mångmiljonstad har temperaturen sjunkit till 3 C. Beräkna vilket partialtryck av SO 3 (g) som krävs för att H 2SO 4 (l) ska bildas denna dag i mångmiljonstaden då partialtrycket för vattenånga är 31 mbar. H och S kan antas vara konstanta i det aktuella temperaturintervallet. (4p) 298 K ΔH f S kj mol 1 J (K mol) 1 H 2O (g) 241.82 188.93 H 2SO 4 (l) 813.99 156.90 O 2 (g) 0.00 205.14 SO 2 (g) 296.83 248.22 SO 3 (g) 395.72 256.87 4a) Figuren nedan visar ett fasdiagram för vatten och etylenglykol. Identifiera de olika faser som är närvarande inom respektive område A, B och C. Markera ut i diagrammet den eutektiska punkten (du får skissa diagrammet på ditt rutpapper). Visa också hur man beräknar mängden av faserna i en godtycklig punkt i område A. Svara slutligen på hur många faser som finns på den horisontella linjen (understa linjen) i diagrammet. (3 p) emperatur / C 10 0-10 -20-30 -40-50 A -60 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 Viktsbråk Etylenglykol b) Hydrolys av adenosintrifosfat (AP) till adenosindifosfat (ADP) B C

AP ADP + P i där P i betecknar oorganiskt fosfat, är en biokemiskt mycket viktig reaktion. För reaktionen är G = 31 kj mol 1 vid 37 C baserat på det biokemiska standardtillståndet. Vid ett tillfälle fann man koncentrationerna [AP] = [ADP] = [P i] = 10 mm i en röd blodkroppscell. Beräkna drivkraften för reaktionen uttryckt som G r = ( G/ ξ), p vid de koncentrationer som råder i blodkroppscellen. (3p) c) Blodsocker (glukos) transporteras in i röda blodkroppar trots att koncentrationen av glukos är högre inuti än utanför cellen. Den energi som krävs för att detta ska kunna ske erhålls genom hydrolys av AP enligt reaktionen AP + H 2O + 2Glukos (ut) 2Glukos (in) + ADP + P i Beräkna det maximala förhållandet [Glukos (in)]/[glukos (ut)] för att ovanstående reaktion ska kunna äga rum under förhållandena givna i (b). (4p) 5a) Förklara begreppet spinodal fasseparation (eng. spinodal decomposition ) utifrån G m=f(x 1) vid konstant. (3 p) b) Den molära entropin för argon varierar med temperaturen enligt följande empiriska uttryck S m = 36.36 + 20.79ln [J (K mol) 1 ] Bestäm den molära värmekapaciteten C p,m för argon vid 25 C. (3p) c) Beräkna S, H och G då 1 kg argon värms upp från 25 till 50 C vid konstant tryck. (4p) Ulf, Magnus och Jinshan önskar er alla LYCKA ILL och slutligen, men inte minst, att ni får en trevlig sommar!

Lösningsförslag till tentamen i Kemisk ermodynamik 130604: 1. a) Se kurslitteratur och föreläsningsanteckningar b) dh = dh d + dh dp = C d p dp p d + dh dp dp dh = 0 för ideal gas dh = nc dp pd H = nc p( 2 1) = 0.2 29.125(373 298) = 440 J ds = ds d + ds = C p d V dp = C p d R dp d p dp p S = nc p ln 2 1 nr ln p 2 p 1 = 0.2 29.125 ln(373/298) 0.2 8.314 ln3 = 0.52 J/K c) Reversibel adiabatisk process q = 0 S = C p ln 2 1 R ln p 2 p 1 = 0 C p ln 2 = R ln p 2 29.125 ln( 1 p 2/298) = 8.314 ln3 2 = 408 K 1 H = ncp(2 1) = 0.2 29.125 (408 298) = 640 J 2. a) Se kurslitteratur och föreläsningsanteckningar b) d ln p = 5074 3.966 = H vap d 2 R 2 H vap() = 5074 R 3.966 R Vid normala kokpunkten är p = 1 atm = 1.103 10 5 Pa ln 1.013 10 5 = 49.93 5074 3.966 ln Ekvationen är inte analytiskt lösbar men kan lösas numeriskt, t ex genom iteration. Man kan skriva den på formen 5074 i+1 = 38.404 3.966 ln i Med ett start värde 0 = 298 K så konvergerar den efter ca 4-5 iterationer till = 329 K, dvs den normala kokpunkten är 56 C H vap(329 K) = 8.314 (5074 3.966 329) = 31.3 kj/mol S vap = H vap/ = 31337/329 = 95.2 J/K, mol c) Ångtrycket över ren dietyleter vid 25 C ges av ln p A = 49.93 5074 298 3.966 ln 298 p A = 3.0 10 4 Pa Ångtrycket över ren pentan fås genom att integrera Clausius-Clapeyrons ekvation d ln p d(1/) = H vap R ln p B = 25.79 103 1.013 10 5 R ln p 2 = H vap p 1 R 1 1 2 1 1 298 1 309 p B = 7.0 10 4 Pa För ideal blandning gäller Raoults lag p A = x Ap A = 0.5 3.0 10 4 = 1.5 10 4 Pa och p B = x Bp B = 0.5 7.0 10 4 = 3.5 10 4 Pa Sammansättningen i gasfasen ges av Daltons lag: x A g = p A/(p A + p B) = 1.5/5 = 0.30, x B g = 1 x A g = 0.70

3. a) Se kurslitteratur och föreläsningsanteckningar b) H (298 K) = 2 ( 395.72 ( 296.83)) = 197.8 kj/mol S (298 K) = 2 256.87 205.14 2 248.22 = 187.84 J/K mol G (298 K) = H S = 197.8 10 3 298 ( 187.84) = 141.8 kj/mol K = e G /R = e ( 141800)/8.314 298 = 7.2 10 24 p SO3 /p 2 K = p SO2 /p 2 p O2 /p 2 p SO 3 = p 2 SO 3 p 2 = 7.2 10 24 p SO3 p O2 p O2 = 0.2 bar = 7.2 p2 SO 0.2 1024 p SO3 /p SO2 = n SO3 /n SO2 = 1.2 10 12 3 I praktiken är reaktionen fullständigt förskjuten mot produkt (svaveltrioxid) vid jämvikt. c) H (298 K) = 813.99 ( 395.72 241.82) = 176.5 kj/mol S (298 K) = 156.90 256.87 188.93 = 288.9 J/K mol H och S antas konstanta mellan 3 och 25 C G (276 K) = H S = 176.5 10 3 276 ( 288.9) = 96.8 kj/mol K = e G /R = e 96764/8.314 276 = 2.1 10 18 a H2 SO K = 4 p SO3 /p p H2 O/p = p 2 = 2.1 10 18 p SO3 p H2 O p SO3 = 1 2 /(2.1 10 18 31 10 3 ) = 1.6 10 17 bar Detta är naturligtvis ett extremt lågt värde på den halt svaveltrioxid som krävs för att smog ska uppstå. I praktiken betyder det att så småningom kommer all svaveldioxid att bilda smogpartiklar oavsett hur låg svaveldioxidhalten är i luften. 4. a) Se kurslitteratur och föreläsningsanteckningar b) G r = G + RlnQ Q = ([P i]/c ) ([ADP]/c )/([AP] /c ) = 10 10 3 G r = 31 10 3 + R 310 ln10 10 3 = 42.9 kj/mol c) Reaktionen 2Glukos (ut) 2Glukos (in) är inte spontan. Hydrolys av AP kan dock driva reaktionen om G r inte överskrider 42.9 kj/mol, dvs G r = 42.9 kj/mol G r = G + RlnQ där G = 0 eftersom samma ämne finns på varsin sida om reaktionspilen G r = Rln([Glukos(in)]/[Glukos(ut)]) 2 = 42.9 kj/mol Maximala förhållandet blir då [Glukos(in)]/[Glukos(ut)] = e 42900/(2 8.314 310) = 4100 5. a) Se kurslitteratur och föreläsningsanteckningar b) dh = ds + Vdp ds = C p Cp = ds d p d p ds m = 20.79 C p,m = 20.79 J/K mol d p c) n = 1000/39.948 = 25.0 mol S = n S m = 25.0 20.79 ln(323/298) = 41.9 J/K H = C p(323 298) = 25.0 20.79 (323 298) = 13.0 kj G = H (S) = 13000 25.0 [36.36 (323 298) + 20.79(323ln323 298ln298)] = 97.3 kj