Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Relevanta dokument
Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Tentamen KFKA05 och nya KFK080,

Övningstentamen i KFK080 för B

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

Bestäm brombutans normala kokpunkt samt beräkna förångningsentalpin H vap och förångningsentropin

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 13-18

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

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

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.

Tentamen i KFK080 Termodynamik kl 08-13

Tentamen i Termodynamik för K och B kl 8-13

Tentamen KFK080 för B,

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

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

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

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Tentamen, Termodynamik och ytkemi, KFKA01,

Tentamen i Kemisk termodynamik kl 14-19

Tentamen KFKA05 Molekylära drivkrafter 1: Termodynamik,

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

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

Lösningsanvisningar till tentamen i SI1161 Statistisk fysik, 6 hp, för F3 Onsdagen den 2 juni 2010 kl

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

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

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

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

Tentamen i kemisk termodynamik den 17 januari 2014, kl

Kapitel 11. Egenskaper hos lösningar

Tentamen KFKF01,

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

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

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

Tentamen i Kemisk termodynamik kl 8-13

Idealgasens begränsningar märks bäst vid högt tryck då molekyler växelverkar mera eller går över i vätskeform.

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

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

Tentamen KFKA05, 26 oktober 2016

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

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk mekanik för F3

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

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

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

Allmän Kemi 2 (NKEA04 m.fl.)

Skrivning i termodynamik och jämvikt, KOO081, KOO041,

Bindelinjer gäller för bestämd temp. Hävstångsregeln gäller.

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk fysik för F3

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

KEMISK TERMODYNAMIK. Lab 1, Datorlaboration APRIL 10, 2016

Termodynamik FL4. 1:a HS ENERGIBALANS VÄRMEKAPACITET IDEALA GASER ENERGIBALANS FÖR SLUTNA SYSTEM

10. Kinetisk gasteori

Räkneövning 2 hösten 2014

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Kap 4 energianalys av slutna system

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

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

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

Kinetisk Gasteori. Daniel Johansson January 17, 2016

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

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

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

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

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk fysik för F3

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

Tentamen i Molekylär växelverkan och dynamik, KFK090 Lund kl

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

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

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

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

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

Tentamen KFKF01,

4. Kemisk jämvikt när motsatta reaktioner balanserar varandra

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk mekanik för F3

TENTAMEN I KEMI TFKE16 (4 p)

Termodynamik Föreläsning 4

18. Fasjämvikt Tvåfasjämvikt T 1 = T 2, P 1 = P 2. (1)

Homogen gasjämvikt: FYSIKALISK KEMI. Laboration 2. Dissociation av dikvävetetraoxid. N2O4(g) 2 NO2(g)

Termodynamik och inledande statistisk fysik

Exempel på statistisk fysik Svagt växelverkande partiklar

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

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

Galenisk och Fysikalisk kemi för Receptarieprogrammet. Övningsexempel i Fysikalisk kemi

VI. Reella gaser. Viktiga målsättningar med detta kapitel. VI.1. Reella gaser

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

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

Tentamen KFKA05 för B, kl 14-19

Studieanvisningar i statistisk fysik (SI1161) för F3

Tentamen KFKA05,

Kemisk Dynamik för K2, I och Bio2

och/eller låga temperaturer bildar de vätskor, nåt som inte händer för Dieterici-modellen, och virialexpansionen.

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

Övrigt: Uppgifterna 1-3 är på mekanik, uppgifterna 4-5 är på värmelära/termodynamik

Tentamen i Kemisk termodynamik kl 8-13

Räkneövning 5 hösten 2014

Konc. i början 0.1M 0 0. Ändring -x +x +x. Konc. i jämvikt 0,10-x +x +x

Tentamen, Termodynamik och ytkemi, KFKA01,

Kapitel IV. Partikeltalet som termodynamisk variabel & faser

Kinetik, Föreläsning 2. Patrik Lundström

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Fredagen den 13 april 2007 kl 8:30-12:30 i V. Man får svara på svenska eller engelska!

Transkript:

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik 2012-05-23 1. a Molekylerna i en ideal gas påverkar ej varandra, medan vi har ungefär samma växelverkningar mellan de olika molekylerna i en ideal blandning. För en idealt utspädd lösning har vi en typ av växelverkningar mellan lösningsmedelsmolekylerna och i allmänhet en annan typ av växelverkningar mellan de lösta molekylerna och lösningsmedlets molekyler. Dessutom är koncentrationen så låg att växelverkningarna mellan de lösta molekylerna i stort sett kan försummas. b Eftersom standardtillståndet för båda komponenterna är motsvarande rena vätskekomponenter, skall aktivitetsfaktorerna beräknas enligt konvention I, dvs. vi skall jämföra det verkliga trycket med trycket enligt Raoults lag: γ i = p i x l i p i artialtrycket för de båda komponenterna får vi ur Daltons lag: p i = x g i p tot För bensen blir resultatet: γ I,1 = 1 0, 5546292, 5 = 1, 756 1 0, 4989148, 1 och för metanol: γ I,2 = 0, 5546 292, 5 = 1, 551 0, 4989 209, 6 2. För jämvikten mellan fast fas och gasfas gäller att tryck och temperatur längs jämviktskurvan följer d d = H m 1 V m Om vi antar att V m g >> V m s samt att gasfasen är ideal blir V m V m g R 2 Genom att sätta in 2 i 1 fås d = H m d 3 R 2 Eftersom H m kan antas vara konstant i det aktuella temperaturintervallet kan vi integrera 3 från 1, 1 till 2, 2 och vi får 2 ln = H m 1 1 4 1 R 2 1 Med de givna värdena på temperatur och tryck blir: H m = 72, 6 kj mol 1 5 För att beräkna jämviktstrycket vid 35, 0 C kan vi sätta ett av de givna, -paren som 1, 1 i 4 och med 2 = 308, 15 K blir trycket 2 = 0, 207 torr 6 1

3. Entropin fås ur S = U + k ln Q Eftersom både argon och neon är ädelgaser är de atomära gaser se även formeln för gaserna i uppgiften och det blir alltså inget bidrag från några rotations- eller vibrationsenergier. Genom att använda Stirlings approximation och att q enbart har bidrag från translationen blir och med ln Q = N ln qe N 3/2 2πmk och q = q tr = V ln Q U = k 2 V,N blir U = 3/2Nk och sammanlagt blir entropin lika med 153, 7 J K 1 mol 1 för neon och 162, 2 J K 1 mol 1 för argon. Eftersom massan är större för argon än för neon ligger energinivåerna tätare se uttrycket för partikel i låda. Då blir fler nivåer tillgängliga för fördelningen av argonatomerna och entropin är större. 4. a Den sammanlagda processen kan delas upp i två delsteg: 1 bar, 500 K 3 bar, 500 K 3 bar, 350 K 1 För det första steget har vi, för en ideal gas och med en av Maxwells relationer, Sm Vm = = R Med 1 = 1 bar och 2 = 3 bar blir S m = R 2 1 d = R ln 2 1 h 2 2 = 9, 134 J K 1 mol 1 3 Entalpiändringen längs en isoterm är noll för en ideal gas. Det kan man t.ex. visa genom att använda ur formelsamlingen H V = V vilket med idealgaslagen blir För det andra steget kan vi använda S = C p Med givna data blir då H = V nr = 0 S m = C p,m ln Med 3 och 5 blir den sammanlagda entropiändringen 2 S m = 7, 414 J K 1 mol 1 5 S m = 16, 5 J K 1 mol 1 medan entalpiändringen blir med en konstant värmekapacitet 2 Hm = C p,m H m = C p,m d = C p,m 2 1 = 3, 12 kj mol 1 p 1 1 4 2

b i För l s är q < 0 motsatsen till att smälta något. Vidare är H < 0 eftersom q p = H. Volymen ökar vilket medför att w < 0 och sammantaget blir då U < 0. ii Adiabat betyder att q = 0; Kompression ger att volymen minskar, dvs. w > 0; detta ger att U > 0. För en viss mängd ideal gas är H = U + nr och dessutom gäller för en ideal gas att du = C V d. Med U > 0 ökar alltså även temperaturen och H > 0. iii För en kompression är w > 0. Vidare gäller för en ideal gas att V = nr och eftersom = konstant och V minskar vid en kompression, måste även minska. Med du = C V d för en ideal gas blir alltså du < 0 och med H = U +nr blir även H < 0. Eftersom w > 0 och U < 0 blir q < 0. iv Konstant V betyder att w = 0. Eftersom det är en ideal gas är återigen du = C v d och en uppvärmningn betyder d > 0 vilket medför att du > 0. Nu är också för en ideal gas H = U + nr. Eftersom både och U är positiva blir även H > 0. 5. a För den givna reaktionen kan jämviktskonstanten skrivas K = a[ags]2 a[o 2 g] 1/2 a[ag 2 Os] 1 Om man antar att syrgasen uppträder som en idealgas är a[o 2 g] = p O2 /p och om vi försummar tryckberoendet hos den kemiska potentialen för de fasta faserna kan vi sätta aktiviteten för dessa till ett. Sambandet mellan det uppmätta trycket och jämviktskonstanten för reaktionen blir då 1/2 O2 K = 2 b Med det givna sambandet mellan ln K och temperaturen kan vi direkt beräkna G 460 K G = R ln K = R 2, 3475 + 5612, 7 2, 0953 106 2 3 vilket vid = 460 K blir G 460 K = 184, 2 J mol 1 4 Genom att använda uttrycket för jämviktskonstantens temperaturberoende kan vi även beräkna H 460 K d ln K = H d R 2 5 vilket med det i uppgiften givna sambandet ger H 460 K = R 2 d d 2, 3475 + 5612, 7 Med 4 och 6 och = 460 K kan vi även beräkna S S = H G 2, 0953 106 2 = 29, 08 kj mol 1 6 = 62, 8 J K 1 mol 1 7 6. a illståndssumman är ett mått på antalet, i praktiken, tillgängliga tillstånd vid en viss temperatur. Med den molekylära tillståndssumman, q, som exempel kan vi skriva denna med ε 0 = 0: q = g 0 + g 1 e ε1/k + g 2 e ε2/k + 1 Om 0 kommer q g 0, dvs. alla molekyler kommer att finnas på den lägsta energinivån och antalet tillgängliga tillstånd kommer att vara degenerationen av grundtillståndet, g 0. 3

Om, å andra sidan, k ε kommer q att bli q g 0 + g 1 + g 2 + dvs. molekylerna har tillräckligt med energi för att kunna fördelas över alla möjliga energinivåer och blir återigen ett mått på antalet tillgängliga tillstånd. b Boltzmanns fördelningslag ger att för rotationen är antalet molekyler på en viss rotationsenerginivå med kvanttalet J N J = Ng Je ε J /k 1 Vi söker nu den temperatur då N J=9 = N J=10 Ng J=9 e ε J=9/k = Ng J=10e εj=10/k 2 Nu kan N och förkortas eftersom dessa ej beror på J och med g J = 2J + 1 samt ε J = JJ + 1h 2 /8π 2 I får vi 2 9 + 1e 99+1θrot/ = 2 10 + 1e 1010+1θrot/ 3 där Genom att logaritmera båda led blir θ rot = h2 8π 2 Ik 4 ln 19 90 θ rot = ln 21 110θ rot = 20θ rot ln21/19 5 Ekvationerna 4 och 5 tillsammans med det värde för I som är givet i uppgiften ger att = 62, 1 K 7. a För en ideal lösning gäller Raoults lag Molbråket vatten i lösningen är x H2O = Med p H 2O = 17, 363 torr ger 1 och 2 att b Fryspunktssänkningen för en ideal lösning ges av p i = p i x l i 1 m H2O/M H2O m H2O/M H2O + m suc /M suc = 0, 9964 2 p H2O = 17, 30 torr 3 = K f m 4 där m utan index här är molaliteten. Lösningens koncentration uttryckt som mol socker per kg lösningsmedel, dvs. molalitet, är m = 0, 191 mol kg 1. Fryspunktssänkningen blir alltså = 0, 354 C 5 och fryspunkten blir m = 0, 354 C. 4

c För en ideal lösning är det osmotiska trycket där c är masskoncentrationen och M är molmassan i kg mol 1. Lösningens volym kan beräknas ur Π = R M c 6 V = massan lösning densiteten = 1065, 4 1, 024 = 1040, 43 cm3 = 1, 040 10 3 m 3 7 Med c = massan socker/volym lösning = 62,86 kg m 3 och M = 342, 2 10 3 kg mol 1 blir Π = 4, 48 10 5 a 5