Термодинамические базы данных для чистых веществ - Thermodynamic databases for pure substances

Термодинамические базы данных содержат информацию о термодинамических свойствах веществ, наиболее важными из которых являются энтальпия , энтропия и свободная энергия Гиббса . Числовые значения этих термодинамических свойств собираются в виде таблиц или рассчитываются из файлов термодинамических данных. Данные выражены в виде зависящих от температуры значений для одного моля вещества при стандартном давлении 101,325 кПа (1 атм) или 100 кПа (1 бар). К сожалению, используются оба этих определения для стандартных условий давления .

Термодинамические данные

Термодинамические данные обычно представлены в виде таблицы или диаграммы значений функций для одного моля вещества (или, в случае таблиц пара , одного кг). Термодинамическое файл данных представляет собой набор параметров уравнения , из которого можно рассчитать численные значения данных. Таблицы и файлы данных обычно представлены при стандартном давлении 1 бар или 1 атм, но в случае пара и других промышленно важных газов давление может быть включено в качестве переменной. Значения функций зависят от агрегатного состояния вещества, которое должно быть определено, чтобы значение имело какое-либо значение. Агрегатное состояние для термодинамических целей является стандартным состоянием , иногда называемым эталонным состоянием , и определяется путем указания определенных условий. Нормальный стандартное состояние обычно определяется как наиболее стабильной физической формы вещества при заданной температуре и давлении 1 бар или 1 атм. Однако, поскольку любое ненормальное состояние может быть выбрано в качестве стандартного состояния, оно должно быть определено в контексте использования. Стандартное физическое состояние - это состояние, которое существует в течение времени, достаточного для измерения его свойств. Наиболее распространенное стандартное физическое состояние - термодинамически стабильное (т. Е. Нормальное). Он не имеет тенденции переходить в какое-либо другое физическое состояние. Если вещество может существовать, но не является термодинамически стабильным (например, переохлажденная жидкость), оно называется метастабильным состоянием. Не - физическое стандартное состояние является тот , чьи свойства получают путем экстраполяции от физического состояния (например, твердый перегретого выше нормальной температуры плавления или идеального газа при условии , когда реальный газ является неидеальным). Метастабильные жидкости и твердые вещества важны, потому что некоторые вещества могут сохраняться и использоваться в этом состоянии бесконечно. Термодинамические функции, относящиеся к условиям в нормальном стандартном состоянии, обозначаются маленьким верхним индексом °. Связь между некоторыми физическими и термодинамическими свойствами может быть описана уравнением состояния .

Энтальпия, теплосодержание и теплоемкость

Очень трудно измерить абсолютное количество какой-либо термодинамической величины, включающей внутреннюю энергию (например, энтальпию ), поскольку внутренняя энергия вещества может принимать множество форм, каждая из которых имеет свою собственную типичную температуру, при которой она начинает становиться важной в термодинамические реакции. Поэтому наибольший интерес представляет изменение этих функций. Изобарическое изменение энтальпии H выше обычной эталонной температуры 298,15 К (25 ° C) называется высокотемпературным теплосодержанием , явным теплом или относительной высокотемпературной энтальпией и в дальнейшем называется теплосодержанием . В разных базах данных этот термин обозначается по-разному; например H T - H 298 , H ° - H ° 298 , H ° T - H ° 298 или H ° - H ° (T r ), где T r означает эталонную температуру (обычно 298,15 K, но сокращенно теплосодержание символы как 298). Все эти термины означают молярное теплосодержание вещества в его нормальном стандартном состоянии выше эталонной температуры 298,15 К. Данные для газов приведены для гипотетического идеального газа при заданном стандартном давлении. СИ единица для энтальпии Дж / моль, и является положительным числом выше эталонной температуры. Теплосодержание было измерено и сведено в таблицу практически для всех известных веществ и обычно выражается как полиномиальная функция температуры. Теплосодержание идеального газа не зависит от давления (или объема), но теплосодержание реальных газов зависит от давления, поэтому необходимо определить состояние газа (реальный или идеальный) и давление. Обратите внимание, что для некоторых термодинамических баз данных, например для пара, эталонная температура составляет 273,15 К (0 ° C).

Теплоемкость С представляет собой отношение тепла добавляется к повышению температуры. Для постепенного изобарного добавления тепла:

Таким образом, C p - это наклон графика зависимости температуры от изобарного теплосодержания (или производная от уравнения температуры / теплосодержания). Единицы измерения теплоемкости в системе СИ - Дж / (моль · К).

Молярное теплосодержание четырех веществ в их обозначенных состояниях выше 298,15 К и при давлении 1 атм. CaO (c) и Rh (c) находятся в их нормальном стандартном состоянии кристаллического твердого вещества при всех температурах. S 2 (г) является нефизическим состоянием ниже примерно 882 К, а NiO (г) является нефизическим состоянием при всех температурах.
Молярная теплоемкость четырех веществ в обозначенных состояниях при давлении 1 атм. CaO (c) и Rh (c) находятся в их нормальном стандартном состоянии кристаллического твердого вещества при всех температурах. S 2 (г) является нефизическим состоянием ниже примерно 882 К, а NiO (г) является нефизическим состоянием при всех температурах.

Изменение энтальпии фазовых переходов

Когда к веществу в конденсированной фазе добавляется тепло , его температура увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута температура фазового перехода. При дальнейшем добавлении тепла температура остается постоянной, пока имеет место фазовый переход . Количество вещества, которое преобразуется, зависит от количества добавленного тепла. После завершения перехода добавление тепла увеличивает температуру. Другими словами, энтальпия вещества изменяется изотермически, когда оно претерпевает физическое изменение. Изменение энтальпии в результате фазового перехода обозначается Д Н . Существует четыре типа изменений энтальпии в результате фазового перехода. А именно:

  • Энтальпия превращения . Это относится к превращениям из одной твердой фазы в другую, таким как превращение из α-Fe (феррит с ОЦК) в -Fe (аустенит с ГЦК). Преобразование обозначено Δ H tr .
  • Энтальпия плавления или плавления . Это относится к переходу твердого тела в жидкость и обозначается Δ H m .
  • Энтальпия испарения . Это относится к переходу жидкости в пар и обозначается Δ H v .
  • Энтальпия сублимации . Это относится к переходу твердого тела в пар и обозначается Δ H s .

C p бесконечен при температурах фазового перехода, поскольку энтальпия изменяется изотермически. При температуре Кюри , C р показывает резкий разрыв в то время как энтальпия имеет изменение наклона.

Значения Δ H обычно приводятся для перехода при нормальной температуре стандартного состояния для двух состояний, и если да, то обозначаются верхним индексом °. Δ H для фазового перехода слабо зависит от температуры. В некоторых текстах, теплота фазовых переходов, называется скрытыми теплоты (например, скрытая теплота плавления ).

Молярная энтальпия цинка выше 298,15 К и при давлении 1 атм, демонстрируя разрывы в точках плавления и кипения. Δ H ° m цинка составляет 7323 Дж / моль, а Δ H ° v составляет 115 330 Дж / моль.

Изменение энтальпии химической реакции

Изменение энтальпии происходит во время химической реакции . Для частного случая образования соединения из элементов изменение обозначается Δ H форма и является слабой функцией температуры. Значения Δ H формы обычно даются, когда элементы и соединение находятся в их нормальных стандартных состояниях, и как таковые обозначаются стандартными теплотами образования, обозначенными верхним индексом °. Δ Н ° форма претерпевает разрывы при фазовом переходе температурах составляющего элемента (ов) и соединения. Изменение энтальпии для любой стандартной реакции обозначается Δ H ° rx .

Стандартная молярная теплота образования ZnBr 2 (c, l) из элементов, показывающая разрывы при температурах перехода элементов и соединения.

Энтропия и энергия Гиббса

Энтропия системы является еще одной термодинамической величиной, не легко измерить. Однако, используя комбинацию теоретических и экспериментальных методов, фактически можно точно оценить энтропию. При низких температурах модель Дебая приводит к тому, что атомная теплоемкость C v для твердых тел должна быть пропорциональна T 3 , а для идеальных кристаллических твердых тел она должна становиться равной нулю при абсолютном нуле . Экспериментально теплоемкость измеряется в температурных интервалах до как можно более низкой температуры. Значения C p / T нанесены на график в зависимости от T для всего диапазона температур, в котором вещество находится в одном и том же физическом состоянии. Данные экстраполированы от самой низкой экспериментальной температуры до 0 К с использованием модели Дебая. Третий закон термодинамики гласит , что энтропия идеального кристаллического вещества становится равным нулю при 0 К. При S 0 равен нулю, то площадь под кривой от 0 К до любой температуры дает энтропию при этой температуре. Несмотря на то, что модель Дебая содержит C v вместо C p , разница между ними при температурах около 0 K настолько мала, что ею можно пренебречь.

Абсолютное значение энтропии вещества в стандартном состоянии при стандартной температуре 298,15 К обозначено S ° 298 . Энтропия увеличивается с температурой и прерывается при температурах фазового перехода. Изменение энтропии (Δ S °) при нормальной температуре фазового перехода равно теплоте перехода, деленной на температуру перехода. Единицы измерения энтропии в системе СИ - Дж / (моль · К).

Абсолютная энтропия стронция . Сплошная линия относится к энтропии стронция в его нормальном стандартном состоянии при давлении 1 атм. Пунктирная линия относится к энтропии паров стронция в нефизическом состоянии.

Стандартное изменение энтропии для образования соединения из элементов или для любой стандартной реакции обозначается как Δ S ° форма или Δ S ° rx . Изменение энтропии получается путем суммирования абсолютных энтропий продуктов за вычетом суммы абсолютных энтропий реагентов. Как и энтальпия, энергия Гиббса G не имеет внутреннего значения, поэтому интерес представляет изменение G. Кроме того, не происходит изменения G при фазовых переходах между веществами в их стандартных состояниях. Таким образом, основное функциональное применение энергии Гиббса с термодинамической базы данных является ее изменением стоимости в процессе формирования соединения из стандартного состояния элементов, или для любой стандартной химической реакции (Д G ° форма или Δ G ° гха ). Единицы СИ для энергии Гиббса такие же, как и для энтальпии (Дж / моль).

Стандартное изменение тепла и энергии Гиббса для реакции:
На Δ H ° rx видны разрывы при температурах плавления Pb (600,65 K) и PbCl 2 (771 K). Δ G ° rx не является прерывистым при этих температурах фазового перехода, но претерпевает изменение наклона, которое почти незаметно на графике.

Дополнительные функции

Составители термохимических баз данных могут содержать некоторые дополнительные термодинамические функции. Например, абсолютная энтальпия вещества H ( T ) определяется как энтальпия образования и теплосодержание следующим образом:

Для элемента H ( T ) и [ H T - H 298 ] идентичны при всех температурах, потому что форма Δ H ° равна нулю, и, конечно же, при 298,15 K H ( T ) = 0. Для соединения:

Точно так же абсолютная энергия Гиббса G ( T ) определяется абсолютной энтальпией и энтропией вещества:

Для соединения:

Некоторые таблицы могут также содержать функцию энергии Гиббса ( H ° 298,15 - G ° T ) / T, которая определяется в терминах энтропии и теплосодержания.

Энергетическая функция Гиббса имеет те же единицы, что и энтропия, но, в отличие от энтропии, не имеет разрыва при нормальных температурах фазового перехода.

Журнал 10 из равновесной константы К э часто в списке, который рассчитывается из уравнения , определяющего термодинамического.

Термодинамические базы данных

Термодинамическая база данных состоит из наборов критически оцененных значений основных термодинамических функций. Первоначально данные были представлены в виде печатных таблиц при 1 атм и при определенных температурах, обычно с интервалами 100 °, и при температурах фазового перехода. Некоторые компиляции включали полиномиальные уравнения, которые можно было использовать для воспроизведения табличных значений. В последнее время используются компьютеризированные базы данных, которые состоят из параметров уравнения и подпрограмм для расчета конкретных значений при любой температуре и подготовки таблиц для печати. Компьютеризированные базы данных часто включают подпрограммы для расчета свойств реакции и отображения данных в виде диаграмм.

Термодинамические данные поступают из многих типов экспериментов, таких как калориметрия , фазовое равновесие , спектроскопия , измерения состава химически равновесных смесей и измерения ЭДС обратимых реакций. Правильная база данных берет всю доступную информацию об элементах и ​​соединениях в базе данных и обеспечивает внутреннюю непротиворечивость представленных результатов . Внутренняя согласованность требует, чтобы все значения термодинамических функций были правильно рассчитаны путем применения соответствующих термодинамических уравнений. Например, значения энергии Гиббса, полученные с помощью методов высокотемпературной равновесной ЭДС, должны быть идентичны значениям, вычисленным из калориметрических измерений значений энтальпии и энтропии. Поставщик базы данных должен использовать признанные процедуры анализа данных для устранения различий между данными, полученными в ходе различных типов экспериментов.

Все термодинамические данные являются нелинейной функцией температуры (и давления), но универсального формата уравнения для выражения различных функций не существует. Здесь мы описываем обычно используемое полиномиальное уравнение для выражения температурной зависимости теплосодержания. Обычное шестичленное уравнение для изобарического теплосодержания:

Независимо от формата уравнения теплота образования соединения при любой температуре равна Δ H ° формы при 298,15 К плюс сумма параметров теплосодержания продуктов минус сумма параметров теплосодержания реагентов. Уравнение C p получается путем взятия производной уравнения теплосодержания.

Уравнение энтропии получается путем интегрирования уравнения C p / T:

Р»является постоянная интегрирования , полученный путем вставки S ° при любой температуре Т . Энергия Гиббса образования соединения получается из определяющего уравнения Δ G ° форма = Δ H ° форма - T (Δ S ° форма ) и выражается как

Для большинства веществ форма Δ G ° лишь незначительно отклоняется от линейности в зависимости от температуры, поэтому в течение короткого диапазона температур семичленное уравнение может быть заменено трехчленным уравнением, значения параметров которого получаются путем регрессии табличных значений.

В зависимости от точности данных и продолжительности диапазона температур уравнение теплосодержания может потребовать больше или меньше членов. Для очень большого диапазона температур вместо одного могут использоваться два уравнения. Неразумно экстраполировать уравнения для получения значений за пределами диапазона экспериментальных данных, используемых для вывода параметров уравнения.

Файлы термодинамических данных

Параметры уравнения и вся другая информация, необходимая для расчета значений важных термодинамических функций, хранится в файле термодинамических данных. Значения организованы в формате, который делает их доступными для чтения программой термодинамических расчетов или для использования в электронной таблице. Например, термодинамическая база данных FREED [1] на основе Excel создает следующий тип файла данных, здесь для стандартного давления 1 атм.

Файл термодинамических данных для MgCl 2 (c, l, g) от FREED. Некоторые значения имеют усеченные значащие цифры для отображения. Объяснение значений показано ниже.
  • Строка 1. Молярная масса вида, плотность при 298,15 К, Δ H ° форма 298,15 , S ° 298,15 . и верхний предел температуры файла.
  • Строка 2. Требуемое количество уравнений C p . Здесь три из-за трех видовых фаз.
  • Строка 3. Значения пяти параметров для первого уравнения C p ; предел температуры для уравнения.
  • Строка 4. Значения пяти параметров для второго уравнения C p ; предел температуры для уравнения.
  • Строка 5. Значения пяти параметров для третьего уравнения C p ; предел температуры для уравнения.
  • Строка 6. Количество требуемых H T - H 298 уравнений.
  • Строка 7. Значения шести параметров для первого уравнения H T - H 298 ; температурный предел для уравнения и Δ H ° транс для первого фазового перехода.
  • Строка 8. Значения шести параметров для второго уравнения H T - H 298 ; температурный предел для уравнения и Δ H ° trans для второго фазового перехода.
  • Строка 9. Значения шести параметров для третьего уравнения H T - H 298 ; температурный предел для уравнения и Δ H ° trans для третьего фазового перехода.
  • Строка 10. Количество А H ° формы уравнений требуется. Здесь пять; три для фаз видов и два, потому что один из элементов имеет фазовое изменение.
  • Строка 11. Значения шести параметров для первого уравнения формы Δ H ° ; предел температуры для уравнения.
  • Строка 12. Значения шести параметров для второго Д H ° формы уравнения; предел температуры для уравнения.
  • Строка 13. Значения шести параметров для третьего уравнения формы Δ H ° ; предел температуры для уравнения.
  • Строка 14. Значения шести параметров для четвертого Д H ° формы уравнения; предел температуры для уравнения.
  • Строка 15. Значения шести параметров для пятого Д H ° формы уравнения; предел температуры для уравнения.
  • Строка 16. Число А типа G ° формы уравнений требуется.
  • Строка 17. Значения семи параметров для первого уравнения формы Δ G ° ; предел температуры для уравнения.
  • Строка 18. Значения семи параметров для второго уравнения формы Δ G ° ; предел температуры для уравнения.
  • Строка 19. Значения семи параметров для третьего уравнения формы Δ G ° ; предел температуры для уравнения.
  • Строка 20. Значения семи параметров для четвертого уравнения формы Δ G ° ; предел температуры для уравнения.
  • Строка 21. Значения семи параметров для пятого уравнения формы Δ G ° ; предел температуры для уравнения.

Большинство компьютеризированных баз данных создают таблицу термодинамических значений, используя значения из файла данных. Для MgCl 2 (c, l, g) при давлении 1 атм:

Таблица термодинамических свойств MgCl 2 (c, l, g) из файла данных FREED. Некоторые значения имеют усеченные значащие цифры для отображения.

Формат таблицы - это распространенный способ отображения термодинамических данных. Таблица FREED дает дополнительную информацию в верхних строках, такую ​​как массовый и количественный состав и температуры перехода составляющих элементов. Температуры перехода для составляющих элементов отмечены штрихами ------- в первом столбце в пустой строке, например, при 922 K, температуре плавления Mg. Температуры перехода для вещества имеют две пустые строки со штрихами и центральную строку с определенным переходом и изменением энтальпии, например, точкой плавления MgCl 2 при 980 К. Уравнения файла данных находятся внизу таблицы, а вся таблица находится на листе Excel. Это особенно полезно, когда данные предназначены для конкретных вычислений.

Смотрите также

Рекомендации

  • Барин, Ихсан (2004). Термохимические данные чистых веществ . Wiley-VCH. ISBN 3-527-30993-4.
  • Чейз, MW (1998). NIST - Термохимические таблицы JANAF (Четвертое изд.). Журнал физических и химических справочных данных. ISBN 1-56396-831-2.
  • Кокс, JD; Wagman, Donald D .; Медведев, Вадим А. (1989). Ключевые значения CODATA для термодинамики . ISBN издательства John Benjamins Publishing Co. 0-89116-758-7.
  • Хуммель, Вольфганг; Урс Бернер; Энцо Курти; Ф. Дж. Пирсон; Трес Тоенен (2002). База данных химической термодинамики Nagra / Psi . Универсальные издатели. ISBN 1-58112-620-4.
  • Лиде, Дэвид Р .; Генри В. Кехиян (1994). Справочник CRC по теплофизическим и термохимическим данным (книга и диск под ред.). Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 0-8493-0197-1.
  • Панкрац, LB (1982). «Термодинамические свойства элементов и оксидов». Бюллетень Горного управления США . 672 .
  • Панкрац, LB (1984). «Термодинамические свойства галогенидов». Бюллетень Горного управления США . 674 .
  • Панкрац, LB; AD Mah; С.В. Уотсон (1987). «Термодинамические свойства сульфидов». Бюллетень Горного управления США . 689 .
  • Панкрац, LB (1994). «Термодинамические свойства карбидов, нитридов и других избранных веществ». Бюллетень Горного управления США . 696 .
  • Роби, Ричард А. и Брюс С. Хемингуэй (1995). Термодинамические свойства минералов. . . при более высоких температурах , Бюллетень геологической службы США 2131.
  • Yaws, Карл Л. (2007). Справочник Yaws по термодинамическим свойствам углеводородов и химикатов , издательство Gulf Publishing Company. ISBN  1-933762-07-1 .
  • Гурвич Л.В., Вейтц И.В. и др. (1989) Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Четвертое издание, Hemisphere Pub Co., NY, L., Vol.1 в 2 частях.

Внешние ссылки