Tarkastelemme tässä luvussa entalpian määrittämistä kemiallisesti reagoivalle aineelle, jonka termodynaaminen tila määräytyy yhtälön. h = h(t,p) (2.

Samankaltaiset tiedostot
6. PUHTAIDEN FAASIEN TASAPAINOTERMODYNAMIIKKA. 6.1 Paineen ja lämpötilan välinen riippuvuus puhtaan yhdisteen faasitasapainossa

Tarkastelemme luvussa 3 puhtaan aineen ominaisentropian (J/mol K) s = s(t,p) (3.1)

LH9-1 Eräässä prosessissa kaasu laajenee tilavuudesta V1 = 3,00 m 3 tilavuuteen V2 = 4,00 m3. Sen paine riippuu tilavuudesta yhtälön.

1. KEMIALLISESTI REAGOIVA TERMODYNAAMINEN SYSTEEMI

Lisämateriaalia: tilayhtälön ratkaisu, linearisointi. Matriisimuuttujan eksponenttifunktio:

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 09: Tasoristikon sauvaelementti, osa 2.

Aineen häviämättömyyden periaate Jos lähtöaineissa on tietty määrä joitakin atomeja, reaktiotuotteissa täytyy olla sama määrä näitä atomeja.

pienempää, joten vektoreiden välinen kulma voidaan aina rajoittaa välille o. Erikoisesti on

V T p pv T pv T. V p V p p V p p. V p p V p

3 Lämpölaajaneminen ja tilanyhtälöt

Entalpia - kuvaa aineen lämpösisältöä - tarvitaan lämpötasetarkasteluissa (usein tärkeämpi kuin sisäenergia)

Excel 2013:n käyttö kirjallisen raportin, esim. työselostuksen tekemisessä

Integroimalla ja käyttämällä lopuksi tilanyhtälöä saadaan T ( ) ( ) H 5,0 10 J + 2,0 10 0,50 1,0 10 0,80 Pa m 70 kj

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

Palkkataso ja kokonaiskysyntä työttömyyden selittäjinä Suomessa

X JOULEN JA THOMSONIN ILMIÖ...226

HENKKARIKLUBI. Mepco HRM uudet ominaisuudet vinkkejä eri osa-alueisiin 1 (16) Lomakkeen kansiorakenne

RISTIKKO. Määritelmä:

Ensimmäinen pääsääntö

Maahantuojat: omavalvontasuunnitelman ja sen toteutumisen tarkastuslomakkeen käyttöohje

SUORAN SAUVAN VETO TAI PURISTUS

Kaasu 2-atominen. Rotaatio ja translaatiovapausasteet virittyneet (f=5) c. 5 Ideaalikaasun tilanyhtälöstä saadaan kaasun moolimäärä: 3

SMG-1100 Piirianalyysi I, kesäkurssi, harjoitus 2(3) Tehtävien ratkaisuehdotukset

KTJkii-aineistoluovutuksen tietosisältö

REKISTERINPITÄJÄN MUUTOKSET: Toimintamalli muutostilanteessa

Ongelma 1: Mistä joihinkin tehtäviin liittyvä epädeterminismi syntyy?

DNA OY:N LAUSUNTO KUSTANNUSSUUNTAUTUNEEN HINNAN MÄÄRITTELYYN SOVELLETTAVASTA MENETELMÄSTÄ SUOMEN TELEVISIOLÄHETYSPALVELUIDEN MARKKINALLA

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/6

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta

Biologian yhteisvalinta 2014 / Mallivastaus Kysymys 1

Ongelma 1: Mistä joihinkin tehtäviin liittyvä epädeterminismi syntyy?

Oletetaan kaasu ideaalikaasuksi ja sovelletaan Daltonin lakia. Kumpikin seoksen kaasu toteuttaa erikseen ideaalikaasun tilanyhtälön:

S FYSIIKKA IV (ES), Koulutuskeskus Dipoli, Kevät 2003, LH2. f i C C. λ 2, m 1 cos60,0 1, m 1,2 pm. λi λi

VIRTAPIIRILASKUT II Tarkastellaan sinimuotoista vaihtojännitettä ja vaihtovirtaa;

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Automaatiojärjestelmät Timo Heikkinen

12.3 Polttosysteemin energiatase

Ominaisuus- ja toimintokuvaus Idea/Kehityspankki - sovelluksesta

Harjoitukset (KOMPRIMOINTI)

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

Bridgen peruskurssi/eto Harjoitusjaot 1(5) Raija Tuomi 2. oppitunti

Soundings Editor Julkaisutiedot Vianova Systems Finland Oy Soundings Editor versio (Novapoint 18)

Muutokset asetukseen ajoneuvon käytöstä tiellä, ajoneuvon tai yhdistelmän käyttöä koskevat säännöt

LÄMPÖOPPI. Mitä lämpö on? Lämpötila-asteikot. Lämpötilan ala- ja ylärajat. Copyright Isto Jokinen

Liite III. Muutoksia valmisteyhteenvedon ja pakkausselosteen tiettyihin kohtiin

YHTEENVETO VETOLAITTEIDEN OSALTA HUOMIOITAVAT ASIAT MITTA- JA MASSAMUUTOKSEN YHTEYDESSÄ

MAOL-Pisteitysohjeet Fysiikka kevät 2007

Asiakastiedote hinnaston ja tietojärjestelmän uudistumisesta sekä uudistuksien vaikutuksista

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

Ylälinjasi johtaja on:

5. Trigonometria. 5.1 Asteet ja radiaanit. Radiaanit saadaan lausekkeesta. Kun kulma on v radiaania ja n astetta, tästä seuraa, että 180

FC HONKA AKATEMIAN ARVOT

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Aktia-konsernin palkka- ja palkkioselvitys

Basware P2P uusi järjestelmä ostolaskujen käsittelyyn osa 2: maksusuunnitelmat

1.3. Reaaliluvun sini ja kosini

Ajankohtaiskatsaus, Peltotuki

5. PAINOVOIMA. Painovoima voidaan perusluonteeltaan kiteyttää seuraavaan yksinkertaiseen lauseeseen:

Fysiikan labra Powerlandissa

Flash ActionScript osa 2

Osio 1. Laskutehtävät

Moottoroidun B-ryhmän varjoliitimen koulutusohjelma

SPL TAMPEREEN PIIRI: SEURATUTOROINTI

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

LÄÄKEHOITOSUUNNITELMA VARHAISKASVATUKSESSA

KITI - kilpailu anomuksesta ajoon. Ohjeistus kilpailujen anomisesta ja muokkaamisesta KITIssä.

Harjoituksia MAA5 - HARJOITUKSIA. 1. Olkoon ABCD mielivaltainen nelikulmio. Merkitse siihen vektorit. mutta molemmat puolet itseisarvojen sisällä????

KITI - kilpailu anomuksesta ajoon. Ohjeistus kilpailujen anomisesta ja muokkaamisesta KITIssä.

CMU 119 CMU 128 CMU 119 +N CMU 155 CMU 128 +N. Asennusohje Ohjelmoitavat terrestiaalipäävahvistimet. SSTL n:o

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

PubMed pikaopas. 1. Yksinkertainen haku, haku vapain sanoin

Finnish Value Pack Julkaisutiedot Vianova Systems Finland Oy Versio

MAKSETUISTA ELÄKKEISTÄ ELÄKESELVITTELYÄ VARTEN ETK:LLE ANNETTAVAN ELÄKEMENOTIEDOSTON SEKÄ PERINTÄTIEDOSTON TÄYTTÖOHJE VUODELLE 2013

Domperidonin hyväksytyt käyttöaiheet, jotka on lueteltu alkuperäisvalmisteen CDS-asiakirjassa, ovat seuraavat:

3. Kolmiulotteisten kohteiden esitys ja mallintaminen: jatkoa

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta. Laaditaan taulukko monisteen esimerkin 3.1. tapaan ( nj njk Pk

Lineaarisista taikaneliöistä ja niiden konstruoinnista

Tämä ruutu näkyy ainoastaan esikatselutilassa.

Basware Konsernitilinpäätös Forum Ajankohtaista pörssiyhtiön raportoinnissa

Hevosenlannan polton lainsäädännön muutos HELMET Pirtti Hevosvoimaa Uudellemaalle Ratsastuskeskus Aino, Järvenpää

MAA 9. HARJOITUSTEHTÄVIÄ

Toimitsijaohjeet. Kilpailusäännöt 34 Toimitsijat. Kilpailusäännöt 35 Pelaajaluettelo. Kilpailusäännöt 36 Ottelupöytäkirja

Clausiuksen epäyhtälö

MoViE- sovelluksen käyttöohjeet

Yhtiöistä - 11 on varmasti ara-rajoitusten alaisia, - kaksi todennäköisesti ara-rajoitusten alaisia ja - kolme vapaata ara-arajoituksista.

SAK ry Ohje 1 (3) Liitto- ja jäsenpalveluosasto Esko Grekelä/Anitta Leikos

AvoHILMO-aineistojen mukainen hoitoonpääsyn odotusaika raportti

Aloite toimitusvelvollisen myyjän taseselvitystavan muuttamisesta

Taulukkolaskenta ja analytiikka (A30A01000) Excel-harjoitus 9 1/8 Avoin yliopisto Huhtikuu 2016

KOSMOLOGISIA HAVAINTOJA

GOLFMATKA PRAHA KEVÄT 2015/SS

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

POHJOIS-KARJALAN SAIRAANHOITO- JA SOSIAALIPALVELUJEN KUNTAYHTYMÄN SELVITYS

Kuopion kaupunki Pöytäkirja 1/ (1) Kaupunkirakennelautakunta Asianro 201/ /2016

Taulukkolaskennan edistyneempiä piirteitä, Kuvakäsittelystä

ME-C2400 Vuorovaikutustekniikan studio

KoiraNet-jalostustietojärjestelmän asetukset ja käyttöohjeet SPK:lle

Transkriptio:

14 2. ENALPIA JA OMINAISLÄMPÖ arkastelemme tässä luvussa entalian määrittämistä kemiallisesti reagivalle aineelle, jnka termdynaaminen tila määräytyy yhtälön h = h(,) (2.1) mukaisesti lämötilasta ja aineesta. Reaalikaasu- ja reaalinesteseksissa n entalian määrittämiseksi humiitava myös seksen kmnenttien ainemäärät. Yhtälön (2.1) mukaisella entalialla tarkitamme minaisentaliaa, ts. sen dimensi n J/ml tai J/kg riiuen siitä, tarkastelemmek ainemäärää 1 ml tai 1 kg. Sama humautus kskee myös termdynaamisia suureita, v=v(,) minaistilavuus, u minaissisäenergia (J/ml tai J/kg), s minaisentria (J/ml K tai J/kgK), c minaislämö vakiaineessa (J/ml K tai J/kgK) ja c v minaislämö vakitilavuudessa (J/ml K tai J/kgK). Kaikki seuraavassa esitettävät kaavat vat täsmälleen samja riiumatta siitä käytetäänkö niissä mlaarisia vai massaan suhteutettuja minaissuureita *). 2.1 Määritelmiä Ominaislämö c (tai itemmältä nimeltään minaislämökaasiteetti) määritellään yhtälöllä c h. (2.2) Ł ł Yhtälöistä (2.1) ja (2.2) seuraa, että c = c (,). (2.3) Ominaistilavuus v riiuu samin lämötilasta ja aineesta v = v (,), (2.4) Yhtälöä (2.4) kutsutaan aineen tilanyhtälöksi. ilanyhtälön erusteella vidaan määritellä aineen tilavuuden lämötilakerrin g *) Mlaarisen minaissuureen g ml (g = u,h,v,s,c,c v,...) ja massaan suhteutetun minaissuureen g mas välinen yhteys n g ml = M g mas, missä M n aineen mlaarinen massa (kg/ml).

15 1 v g. (2.5) v Ł ł ja isterminen kmressibiliteetti k 1 v k -. (2.6) v Ł ł Humaa, että g = g (,) ja k = k (, ). Esimerkki 2.1. Ideaalikaasun mlaarinen minaistilavuus n V v =, n Sijittamalla tähän ideaalikaasun tilanyhtälö V=nR saadaan R v = v(, ) =, mistä nähdään että ideaalikaasun mlaarinen minaistilavuus n samansuuruinen kaikille kaasuille. Kaavasta (2.5) saadaan ideaalikaasulle g = 1 v v = 1 R v = 1 1 R v = 1 1 v ja kaavasta (2.6) vastaavasti ideaalikaasulle k v = 1 =- 1 v 1 R v =- - 1 1 R 1 v = v =. 2 Entalian muutkselle aineen suhteen vidaan jhtaa kaava [2] h v = v - Ł ł, (2.7) jka vidaan tilavuuden lämötilakertimen kaavan (2.5) avulla kirjittaa mutn

16 h = v(1- g) (2.8) Entalian h=h(,) kknaisdifferentiaalille ätee h h dh = d + d, saadaan yhtälöiden (2.2) ja (2.8) avulla dh = cd + v(1- g)d. (2.9) Yhtälöstä (2.9) seuraa integrimalla h(, ) = c - h( (,, )d + ) = v(, )(1-. (2.10) g (, ))d Vidaksemme laskea entaliamuutkset tunnettuun tilaan (, ) nähden, n meidän siis tunnettava funkti c(, ) eli minaislämö lämötilan funktina aineessa sekä tilanyhtälö (2.4), jsta kaavalla (2.5) saadaan tilavuuden lämötilakerrin g (,). Esimerkki 2.2. Ideaalikaasulle n g (,) = 1/ ja kaavasta (2.8) seuraa, että ( h / ) = 0 eli h (,) = h(). Yleensä kaasut vat sitä lähemänä ideaalikaasua mitä alhaisemi n aine. Esimerkiksi ilma vidaan aineessa 1 bar khtalaisella tarkkuudella käsitellä ideaalikaasuna, mutta suuremmissa aineissa virhe n j melkinen. 2.2 Reaktientalia Entaliamuutsta DH H(B) - H(A), (2.11)

17 tilasta A= (,, n1, n2,, nm ) ja tilaan B = (,, n'1, n'2,, n'm ) kutsutaan reaktientaliaksi, sillin kun sekä lämötila että aine vat alkutilassa (A) ja lutilassa (B) yhtä suuret. Kun reaktientalia DH < 0, n kyseessä eksterminen eli lämöä luvuttava reakti. Js DH > 0, n kyseessä endterminen eli lämöä sitva reakti. Js reakti taahtuu lämöeristetyssä säiliössä, endterminen reakti näkyy lämötilan laskuna ja eksterminen lämötilan nusuna. _ Esimerkki 2.3. arkastellaan hiilen alamisreaktita C(s) + O 2 (g) fi CO 2 (g). (2.12) Prsessin alkutila A vastaa tilannetta, missä lähtöaineet hiili C(s) ja hai O 2 (g) vat vielä reagimatta. Prsessin lutila B vastaa tilannetta, missä hiili ja hai vat reagineet ja mudstaneet hiilidiksidia. Kun hiilen alamisreaktin alku- ja lutila vat standarditilassa = 298.15 K ja = 1.0 bar, saadaan reaktientaliaksi DH = DH = H(B) - H(A) = - 393.5 kj/ml, missä mli tarkittaa alamisreaktiyhtälön mukaan kirjitettujen bruttreaktiiden lukumäärää, jka, kuten nähdään, n tässä taauksessa sama kuin reaktissa kuluneen hiilen C(s), haen O2(g) tai mudstuneen hiilidiksidin CO2(g):n määrä mleissa. Kyseisiä kirjitettuja reaktiita taahtuu siis yhden mlin eli Avgadrn luvun 6.023 10 23 verran *). Alkutilan entalia n H(A) = H(C(s)) + H(O 2 (g)) ja lutilan H(B) = H(CO 2 (g)). Merkintä DH tarkittaa, että reaktientalia n määritetty standarditilassa. _ Esimerkki 2.4. Praanikaasun alamisen bruttreakti n ulestaan C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) fi 3CO 2 (g) + 4H 2 O(l ) ja ilmitettu reaktientalia standarditilassa DH (298.15K) = - 2220 kj/ml. Mli tarkittaa siis y. yhtälön mukaan kirjitettujen bruttreaktiiden lukumäärää, jka n tässä taauksessa sama kuin alanut raanikaasumäärä C 3 H 8 (g) mleissa. _ *) Mli n sama kuin Avgadrn luku eli 1 ml 6.023 10 23. Se n siis samanlainen suuren luvun lyhennesuure kuin esimerkiksi miljna.

18 2.3 Mudstumisentalia Hiilen alamisreakti C(s) + O 2 (g) fi CO 2 (g) n esimerkki mudstumisreaktista hiilidiksidin salta. Kemiallisen yhdisteen mudstumisentaliaksi DHf kutsutaan standarditilassa levan yhdisteen ja sen referenssitilan, eli yhdisteen mudstaneiden stabiilissa mudssa levien alkuaineiden, välistä entaliaertusta. Mudstumisentalia riiuu lämötilasta: DHf (). Alaindeksi f tulee sanasta frmatin. Esimerkiksi nestemäisen veden mudstumisentalia standarditilassa (taulukk 2.1) lämötilassa 25 C n DHf (l;298.15 K) = -285.830 kj/ml ja vastaavasti mukaisesti vesihöyryn mudstumisentalia samassa lämötilassa n DHf (g;298.15 K) = -241.826 kj/ml (taulukk 2.1 tai taulukk 1.1). Määritelmän mukaisesti referenssitilassa mudstumisentaliat vat nllia, esim. DHf (O2(g)) = 0. Yhdisteen mudstumisentalia kuvaa yhdisteen mudstumisessa ymäristöstä situtuvaa tai ymäristöön vaautuvaa kknaisenergiamäärää, kun rsessi taahtuu vakilämötilassa ja vakiaineessa. Js DHf n sitiivinen, tarvitaan energiaa yhdisteen mudstamiseksi. aulukk 2.1. Eräiden aineiden mudstumisentaliita [3] standarditilassa ( = 100 kpa) lämötilassa = 298.15 K. DHf (MJ/kml) DHf (MJ/kml) CO2(g) -393.505 SO2(g) -296.813 CO(g) -110.541 SO3(g) -395.765 H2O(g) -241.826 NO(g) 90.291 H2O(l) -285.830 NO2(g) 33.095 CH4(g) -74.873 N2O(g) 82.048 C2H6(g) -84.684 NH3(g) -45.940 C3H8(g) -103.847 HCN(g) -135.143 C4H10(g) -126.148 CaO -635.089 H2S(g) -20.502 CaCO3(calcite) -1206.921 COS(g) -138.407 Ca(OH)2-986.085 Kaasujen, uhtaan kiinteän aineen sekä uhtaan nesteen entaliaa h(,) (J/ml) standarditilassa merkitään h () [taulukkkirjissa usein H ()]. Sen arvksi entalia-asteikn lähtöisteessä (,= ) määritetään mudstumisentalian arv h ( f ) h(, ) DH ( ). (2.13) Käytettäessä luvussa 1.3 esitettyä entalia-asteikksimusta 1 svitaan useimmiten = 298.15 K.

19 Yhtälön (2.13) syvällinen merkitys n siinä, että mudstumisentaliiden avulla vältymme mahdttmasta absluuttisen sisäenergia- tai entalia-asteikn laatimisesta. Ositamme tämän seuraavalla esimerkillä raanikaasun alamisreaktin reaktientalian määrittämisestä mudstumisentaliiden avulla. isin sanen sitamme miksi määritelmään (2.13) erustuvat entaliat antavat reaktientaliiden arvt ikein. Esimerkki 2.5. Reaktin C3H8(g) + 5O2(g) fi 3CO2(g) + 4H2O(l ) reaktientalia n standarditilassa lämötilassa määritelmän mukaan DH = [3 h (CO 2 (g))+4 h (H 2 O(l ))]- h (C 3 H 8 (g))+5 h (O 2 (g))], missä suureet h (CO 2 (g)),..., h (O 2 (g)) kuvaavat kyseisten kmnenttien entaliita standarditilassa jllain fysikaalisesti krrektilla yhteisellä energiaasteiklla ilmaistuna. Vimme lettaa, että tällainen asteikk n lemassa tai että sellainen n ainakin eriaatteessa mahdllista laatia. Reaktientalian lauseke vidaan kirjittaa seuraavaan ekvivalenttiin mutn D H = [3{ h (CO 2 (g)) - h (H 2 (g)) - 1/2 h (C(s)) - 4 h (H 2 (g))} + 5{ h (O 2 (g)) - h (O2(g))} + 4{ h (H 2 O(l))- h (O 2 (g))}] - [{ h (C 3 H 8 (g)) 3 h (C(s))- h (O 2 (g))}], kska yhtälössä esiintyvät alkuaineiden entaliatermit h (C(s)), h (O 2 (g)) ja h (H 2 (g)) kumavat tinen tisensa. isaalta yhtälössä esiintyvät kaarisulkulausekkeet vat juuri samat kuin kyseisten yhdisteiden mudstumisentaliat: DH f (CO2 (g)) = DH f (H2 O(l)) = DH f (C3 H 8 (g)) = DH f (O 2 (g)) = h (CO 2 (g)) - h (H 2 O(l)) - h (C(s)) - h (H 2 (g)) - 1/2 h (O 2 (g)) h (O 2 (g)) h (C 3 H 8 (g)) - 3 h (C(s)) - 4 h (H 2 (g)) h (O 2 (g)) - h (O2(g)). Kun sekä lähtöaineet että reaktitutteet vat standarditilassa lämötilassa, vidaan yhtälö kirjittaa seuraavaan mutn

20 D H = 3 DH f (CO2 (g)) + 4 DH f (H2 O(l)) - DH f (C3 H 8 (g)) - 5 DH f (O2 (g)) eli entalia-asteikksimuksen 2 (=) ja määritelmän (2.13) mukaisilla entaliilla DH = 3h [CO2(g)] + 4 h [H2O(l)] - h [C3H8(g)] - 5 h [O2(g)], jka sittaa määritelmän (2.13) käyttökelisuuden. Olik uhdas sattuma, että esimerkissä tekemämme hajitelma, jlla yrimme mudstamaan kaarisulkeisiin mudstumisentaliita, n identtinen reaktiyhtälön kanssa? Ei llut. ekemällä kunkin yhdisteen salta alkuainehajitelma vidaan aina tdeta, että alkuainetermit kumavat tinen tisensa, kska reaktiyhtälön mlemmilla ulilla n samat alkuainemäärät. ämä tuls n välitön seuraus alkuainetaseesta. Reaktiyhtälö n eräs ainetaseen esitystaa. Kun entaliatermistä vähennetään yhdisteen alkuainemäärien mukaisesti alkuaineiden entaliat, seuraa alkuainetaseen erusteella autmaattisesti, että kyseiset entaliatermit tulevat kumamaan tinen tisensa alku- ja lutilan entaliaertusta laskettaessa edellyttäen, että lämötilat vat samat. Esitetty menettelytaa n siis yleisätevä reaktientalian laskemiseksi. _ Esimerkki 2.6. Lasketaan raanikaasun alamisreaktin C3H8(g) + 5O2(g) fi 3CO2(g) + 4H2O(l ) reaktientalia lämötilassa = = 298.15 K mudstumisentaliiden avulla: C 3 H 8 (g; 298.15 K), DH f = - 103.8 kj/ml O 2 (g; 298.15 K), DH f = 0 CO 2 (g; 298.15 K), DH f = - 393.5 kj/ml H 2 O(l ; 298.15 K), DH f = - 285.8 kj/ml ja siis DH (298.15 K)= [3(- 393.5) + 4(- 285.8)] - [1(- 103.8) + 5 0] = = - 2220 kj/ml. _ Kun tarkastellaan reaktiita, jissa alku- ja lutilan lämötilat vat eri suuruiset, tarvitaan yhdisteiden entaliat eri lämötilissa. ällöin lu- ja lähtöaineiden välistä entaliaera ei vida laskea esimerkkien 2.5-2.6 tavalla (entaliaasteikksimus 2, luku 1.3) enää elkästään mudstumisentaliihin njautuen,

21 vaikka ne tunnettaisiinkin eri lämötilissa. Seuraavassa luvussa tarkastelemme entalian määrittämistä entalia-asteikksimus 1 mukaisella tavalla. 2.4 Entalia-asteikksimus 1 kemiallisesti reagivalle yhdisteelle 2.4.1 Entalian ja minaislämmön lämötilariiuvuus Js mudstumisentalia ja minaislämö tunnetaan, vidaan standarditilan entalia kirjittaa halutussa lämötilassa yhtälöiden (2.10) ja (2.13) avulla f h(, ) = h () = DH ( ) + c ()d. (2.14) missä n merkitty c(, ) = c (). Yhtälö (2.14) nudattaa luvussa 1.3 esitettyä entalia-asteikksimusta 1, jnka mukaan entalia-asteikn lähtöiste kiinnitetään lämötilaan ja asteikn lähtöisteessä h ( ) = DH ( ). 0 f aulukkkirjissa n integraalitermi usein valmiiksi erikseen laskettuna mudssa jllin saamme h () - h ( ) c ()d, h f 0 () = DH ( ) + [h () - h ( )]. (2.15) ermiä [h ()-h ()] kutsutaan tuntuvaksi entaliaksi tai taulukkentaliaksi. Luvussa 12, missä käsittelemme alamista, esitämme taulukkentaliat alamiseen liittyville tärkeille kaasuille. Mikäli taahtuu faasimuuts faasista I faasiin II lämötilassa tr, esimerkiksi kiinteän aineen nesteytyminen, n yhtälöön (2.14) lisättävä faasimuutkseen liittyvä entalian muuts DHtr : h(, tr ) = DH f ( ) + c,i ()d + DH 14243 tr (tr ) + c,ii ()d. (2.16) 14243 faasimuuts tr 14243 faa sin I lämeneminen välillä -> tr faasien I ja II välillä faa sin II lämenemin en välillä - > tr

22 Esimerkki 2.7. Alumiiniksidi (a - Al2O3, crystal (delta)) n krkeaa lämötilaa kestävä keraaminen aine. Laske aineen entalia lämötilissa 273.15 K ja 1000 K. Yhdisteen referenssitilana n kiteinen (crystal) alumiinimetalli Al(cr) ja haikaasu O2(g). auluksta 2.2 vimme lukea lämötilassa = 298.15K (Janaf taulukissa merkitty symblilla r) DH f() = - 1666.487 kj/ml. Lämötilassa = 298.15 K n alumiiniksidin minaislämö c() = 81.385 J ml -1 K -1. Alumiiniksidin entalia lämötilassa 273.15 K n kaavan (2.14) mukaan h(=273.15 K, ) = - 1666.487 + 81.385 10-3 (273.15-298.15) = - 1668.522 kj/ml. Ominaislämö c riiuu hyvin vimakkaasti lämötilasta. Esimerkiksi alumiiniksidin minaislämö lämötilassa 600 K n c = 115.92 J ml -1 K -1. Siksi entalia 1000 K:ssa kannattaa määrittää kaavan (2.15) erusteella valmiiksi taulukihin lasketun integraalin avulla. auluksta vimme suraan lukea h (1000 K) - h () = 80.304 kj/ml ( = 298.15 K) ja kaavasta (2.15) saamme entaliaksi h( = 1000 K, ) = - 1666.487 + 80.304 = - 1586.183 kj/ml. Entalia massayksikköä khden n vastaavasti h( = 1000 K, ) = -1586.183/0.10196 = - 15.56 MJ/kg, missä MAl2O3 = 0.10196 kg/ml. Kaasujen minaislämöjä c n esitetty eri lämötilissa taulukssa 2.3. Yksiatmisilla kaasuilla, ns. jalkaasuilla, n minaislämö lämötilasta riiumatn. Esimerkiksi argn-kaasulle n c = 20.786 J/(mlK). aulukssa 2.4 n esitetty yhtälön (2.14) mukaisia kaasujen standadientalian h () arvja eri lämötilissa. Integraalilauseketta laskettaessa n minaislämmön lämötilariiuvuus humiitu HSC hjelman tietankin mukaisella

23 aulukk 2.2. Alumiiniksidi (a - Al2O3, crystal (delta)).

24 tenssisarjalla. Entalia-asteikn lähtöisteenä n taulukssa 2.4 käytetty = 298.15. Kaasujen standarditila määritetään ideaalikaasutilan mukaan. Kska ideaalikaasujen entalia ei riiu aineesta eikä kaasuseksen kstumuksesta, vastaavat taulukidut h-arvt (Janaf tauluissa H) ideaalikaasujen entalian arvja missä tahansa muussakin aineessa kuin standardiaineessa. Ideaalikaasun entalia ei riiu myöskään seksen ainemääristä, jllin h arvja vidaan käyttää myös ideaalikaasuseksen kmnenteille. Nämä entaliat vat laskelmissa hyvin käteviä, kska ne itävät sisällään reaktiihin liittyvät energianmuutkset. aulukk 2.3. Ominaislämmöt c kaasuille. Esimerkki 2.8. Metaanin alamisreaktin CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) reaktientalia saadaan suraan tauluksta 2.4. Lasketaan sen arv lämötilassa = 298.15 K taulukn 2.4 avulla: H = h[co2] + 2h[H2O] - h[ch4] - 2h[O2] = - 393.51 + 2 (- 241.83) - (-74.87) - 2 0

25

aulukk 2.4. Standardientalia-arvja h () (kj/ml) eri kaasuille. Lähde: HSChjelma. 26

aulukk 2.4 (jatka). 27

28 = - 802.30 kj/ml, jka n sama kuin metaanikaasun ns. alamislämö. Esimerkki 2.9. Laske raanikaasun alamisreaktin C3H 8(g) + 5O 2(g) fi 3CO 2(g) + 4H 2O(g) 144424443 144424443 A B (2.17) reaktientalia lämötilassa 450 K käyttäen lämötilavälin 298.15-400 K keskimääräisiä minaislämöarvja ja vertaa tulsta taulukn 2.4 avulla laskettuun arvn. Lasketaan ensin eri yhdisteiden entaliat mudstumisentaliiden ja keskimääräisten minaislämöjen (taulukk 2.3) avulla C3H8(g), h = DH f() + = - 91.65 kj/ml c ( - ) = - 105.8+93.2 10-3 (450-298.15) CO2(g), h = - 393.5 + 40.2 10-3 (450-298.15) = - 387.05 kj/ml O2(g), h = 0 + 30.0 10-3 (450-298.15) = + 4.55 kj/ml H2O(g), h = -241.8 + 34.2 10-3 (450-298.15) = - 236.61 kj/ml DH = H(B) - H(A) = { 3h [ CO (g)] + 4h [ H O(g) ]} - h [ C H (g)] + 5h [ O (g)] 2 2 { } DH = {3 (- 387.05)+4 (- 236.61)}-{(- 91.65)+5 4.55} kj/ml = - 2012 kj/ml. Sama lasku taulukn 2.4 avulla suraan DH = [3 (- 387.42) + 4 (- 236.64)] - [(- 90.62) + 5 4.56] = - 2041 kj/ml. taulukn 2.4 avulla laskettu tuls n lunnllisesti tarkemi, kska siinä levat entaliat n laskettu ttamalla humin minaislämöjen lämötilariiuvuus. 3 8 2

29 aulukk 2.4 n erinmainen laskettaessa esimerkiksi kaasureaktreita. Reaktriin tulevien ja sieltä istuvien kaasujen entaliat halutuissa lämötilissa saadaan suraan tauluksta 2.4 ja entaliavirtjen ertuksesta vidaan laskea syötettävä tai reaktrissa kehittyvä lämöteh. Esimerkki 2.10. Laske reaktissa (2.17) vaautuva lämö, kun raanikaasu ja hai tulevat reaktriin lämötilassa 350K ja reaktitutteet hiilidiksidi ja vesihöyry istuvat lämötilassa 450K. auluksta 2.4 saamme nyt DH = [3(- 387.42) + 4 (- 236.64)] - [(- 100.90) + 5 1.53] = - 2015.57 kj/ml eli vaautuva lämöteh n 2016 kw, kun raanikaasua ltetaan 1 ml/s. Esimerkki 2.11. aulukk 2.4 n hyvin kätevä myös tarkasteltaessa esimerkiksi savukaasuhäviöitä. Myöhemmin luvussa 12 esitetyssä esimerkissä n laskettu savukaasujen kstumus eräälle kevyelle lttöljylle ilmakertimella 1.15 yhtä lttainekila khden: O2 Ar N2 CO2 H2O 15.6 ml/kg.a 5.3 ml/kg.a 451.3 ml/kg.a 71.5 ml/kg.a 67.8 ml/kg.a Js savukaasut istuvat kattilassa lämötilasta 450 K, aljnk lisäteha saataisiin mikäli savukaasut jäähdytettäisiin 350 K:iin, kun ltettava öljymäärä n 0.2 kg/s? Pltettua öljykila khti saavutettu lisäenergia n DH ja siis lisäteh = i n i [ h (450K) - h (350K)] i = 15.6(4.56-1.53) + 451.3(4.44-1.51) + 71.5[- 387.42 - (- 391.53)] + 67.8[- 236.64 - (- 240.08)] + 5.3(3.16-1.08) = 1.908 10 3 kj/kg.a f = 0.2 kg/s 1.908 10 3 kj/kg = 382 kw. i

30 Esimerkki 2.12. Savukaasuhäviöillä tarkitetaan savukaasujen mukana menevää entaliavirtaa verrattuna tilanteeseen, jssa savukaasut istuisivat standarditilan lämötilassa 25 C. Edellisessä esimerkissä savukaasuhäviöt, kun savukaasut istuvat lämötilassa 350 K, vidaan taulukn 2.4 avulla laskea seuraavasti: DH = i n i [ h (350K) - h (298.15K)] i = 15.6(1.53-0) + 451.3(1.51-0) + 71.5[(- 391.53) - (- 393.52)] + 67.8[(- 240.08) - (- 241.83)] + 5.3(1.08-0) = 972.0 kj/kg.a. i Savukaasuhäviöt f = 0.2 972.0 = 194.4 kw. Luvussa 4 käsittelemme näitä esimerkkejä lisää ja esitämme laskelmat taulukitujen entaliiden ja lttaineiden lämöarvjen avulla. 2.4.2 Entalian ja maislämmön aineriiuvuus Yleisesti ttaen kemiallisen yhdisteen minaislämö riiuu myös aineesta: c = c(,). Kaavan (2.8) mukaan h v = v -, (2.18) Derivimalla minaislämmön määritelmä h c = aineen suhteen ja humiimalla yhtälö (2.18) saadaan c h h v v v v = = = v - = - - 2 Ł ł Ł ł Ł ł 2. Ominaislämmön aineriiuvuudeksi saadaan siis c 2 v = - 2 (2.19) missä v = v(,) n mlaarinen minaistilavuus (m 3 /ml).

31 Esimerkki 2.13. Ideaalikaasun tilanyhtälön mukaan V N = v(,) = R/, (2.20) missä R = 8.314 J/(ml K). ästä seuraa 2 v 2 = 0 ja siis ideaalikaasulle c(,) = c(). (2.21) Reaalikaasulle 2 v/ 2 0, jllin c n myös aineen funkti. Mitä kauemana kriittisestä isteestä llaan sitä aremmin kaasu käyttäytyy ideaalikaasun lailla, jllin minaislämö riiuu vain lämötilasta. Savukaasulaskuissa kaasut vidaan hyvin käsitellä ideaalikaasuina. Myös kiinteille aineille ja nesteille minaistilavuus riiuu useimmiten likimain lineaarisesti lämötilasta, jllin yhtälön (2.19) njalla hyvällä tarkkuudella c n vain lämötilan funkti. ärkeä ikkeus n esimerkiksi vesi ja vesihöyry krkeissa lämötilissa ja aineissa. Krkeissa aineissa vesihöyry ikkeaa leellisesti ideaalikaasusta. Pikkeama n sitä suuremi, mitä lähemänä kriittistä istettä llaan. ämä ätee yleisemminkin muiden kriittistä istettä lähellä levien nesteiden ja höyryjen suhteen. Esimerkki 2.14. Vesihöyry: c (573.15 K, 1.0 bar) = 2.010 Vesihöyry: c (573.15 K, 75 bar) = 4.686 Vesi: c (573.15 K, 100 bar) = 5.692 Vesi: c (573.15 K, 190 bar) = 5.350 kj kg K = 36.18 J ml K kj kg K = 84.35 J ml K kj kg K = 102.46 J ml K kj kg K = 96.30 J ml K.

32 Esimerkki 2.15. Kiinteille aineille n likimain 1 v -5-4 -1 g = 10...2.0 10 K, (2.22) v Ł ł jten huneenlämötilassa = 298.15 K entalian aineriiuvuus h = v(1- g) = (0.9970...0.9404)v. (2.23) Ł ł Esimerkki 2.16. Ideaalikaasulle h Ł ł = v- R = 0, jllin siis entalia riiuu ainastaan lämötilasta h(,) = h(). (2.24) Muille kuin ideaalikaasuille n minaisentalia lämötilan ja aineen funkti. Lisäksi n idettävä mielessä, että yleisesti ttaen seksen kmnenttien tila ja tilanfunktit kuten entalia riiuvat lisäksi kmnenttien ainemääristä n1,,nm. untemalla standarditilassa mudstumisentalia DHf (), minaislämö c(,) ja minaistilavuus v(,) vidaan yhdisteen entalia laskea mielivaltaisessa lämötilassa 1 ja aineessa 1 1 1 h h h( 1, 1) = DHf ( ) + d + d (2.25) Ł ł Ł h eli määritelmän c = ja kaavan (2.18) avulla 0 = ł= 1 1 1 Ø ø v h( 1,1) = DHf ( ) + c (, )d + Œv( 1, ) - 1 œd (2.26) Œº Ł ł= œ 1 ß 0 0

33 2.5 Entalia absluuttisessa nllaisteessä Kun entalian arv n määritelty kaavalla (2.13) lämötilassa, vidaan yhdisteen tai alkuaineen entalia absluuttisessa nllaisteessä laskea kaavan (2.16) avulla. ätä entaliaa merkitään h (0):lla [taulukissa H (0):lla]. Ottamalla humin määritelmä (2.13), ts. h () DHf (), vidaan kaavan (2.16) njalla kirjittaa h (0) - h () = tr 0 c d + DH tr(tr)+ 0 tr c d. (2.27) Mikäli kyseessä n kaasu, n kaavaan (2.27) lisättävä vielä tinen faasimuutstermi, nesteen kiteytyminen ja siihen liittyvä entalian muuts. Mikäli kyseessä n kiinteä aine, ei faasimuutstermejä välttämättä esiinny. Faasimuuts n kuitenkin kiinteälläkin aineella mahdllista taahtua eri kidemutjen välillä. Luvut [h (0) - h ()] n laskettu eri yhdisteille valmiiksi kemiallisen termdynamiikan taulukkkirjissa, samin luvut [h () - h ( )] tietyin lämötilartain. Esimerkkinä tästä n seuraava taulukk alumiiniksidin salta. Esimerkki 2.17. Alumiini valmistetaan alumiiniksidista (Al2O3) kuumentamalla se sulamislämötilaan ja sen jälkeen surittamalla elektrlyysi. Laske alumiiniksidin lämmittämiseen 500 K:stä lämötilaan 2500 K tarvittava lämömäärä. Lämötilassa 2327 K taahtuu nesteytyminen, jhn liittyvä faasimuutslämö (endterminen) n 111.086 kj/ml. auluksta 2.5 vidaan suraan lukea ( =r = 298.15 K) h ( = 500 K) - h () = 19.145 kj/ml (crystal, alha (crundum)) h ( = 2500 K) - h () = 399.143 kj/ml, (liquid) jten tarvittava lämömäärä n h ( = 2500 K) - h (500 K) = 399.143-19.145 = 379.998 kj/ml. ämä lämömäärä, kuten y. tauluksta nähdään, sisältää myös alumiiniksidin nesteytymiseen tarvittavan lämömäärän eli faasimuutslämmön lämötilassa 2327K.

34 aulukk 2.5. Alumiiniksin Al2O3(cr, l) termdynaamiset minaisuudet [1]. h dh = Ł ł h d + Ł ł d 350 ΔH = c d = 38.27 (350-298.15) = 1.984kJ/ml 298.15