Bài giảng lý thuyết cháy

vận tốc lan truyền ngọn lửa, tức là thoaû maõn điều kiện u > Λ Khi taêng vaän toác doøng hoãn hôïp ñeán moät giaù trò nhaát ñònh ngoïn löûa seõ bò ñaåy rôøi khoûi mieäng ñoát. Tieáp tuïc taêng u seõ caøng ñaåy ngoïn löûa ra xa vaø taét (neáu khoâng gian laø voâ haïn). Cô cheá taét löûa ôû vaän toác lôùn laø do giaûm nhieät ñoä vì pha troän vôùi kk' xung quanh. Trong caùc buoàng ñoát coâng nghieäp ngöôøi ta boá trí caùc phöông phaùp oån ñònh nhieät ñoä (vaät phuï, löûa phuï …) cuõng nhö khoáng cheá tyû leä khoâng khí, nhôø ñoù oån ñònh ñöôïc ngoïn löûa khi toác ñoä phun cao, năng suất đốt cao. Baûng 3.1 Caùc ñaëc tính chaùy cuûa moät soá nhieân lieäu vôùi khoâng khí NL Tyû leä khoái löôïng caân baèng hoaù Giôùi haïn töông ñoái T töï chaùy oC Toác ñoä max.cm/s ngoïn löûa Tyû leä λ öùng vmax T ngoïn löûa ôû vmax, K Khoaûng caùch taét löûa mm Emin 10-5 J döôùi treân hoïc nl/kk C2H2 0,0755 0,31 - 305 155,25 1,33 0,76 3,01 CH4 0,0582 0,46 1,64 632 37,31 1,06 2236 2,55 0,63 C2H6 0,0624 0,5 2,72 472 44,17 1,12 2244 1,78 24,03 C3H8 0,064 0,51 2,83 504 42,84 1,14 2250 2,03 30,52 3.9 Caùc boä ñoát gas (Gas burners) - Troän laãn tröôùc (injector): chaûy taàng; chaûy roái - Khueách taùn: caáp khoâng khí, taïo xoaùy - Chæ soá Wobbe veà söï oån ñònh coâng suaát nhieät cuûa moû ñoát khi nhieät trò khí dao ñoäng hay ñoåi sang khí khaùc Löu löôïng theå tích cuûa doøng khí ôû aùp suaát p, khoái löôïng rieâng ρk thoaùt ra mieäng phun tieát dieän F, tính theo coâng thöùc: k pkFV ρ 2 = (3.6) trong ñoù k laø heä soá ma saùt. Coâng suaát nhieät cuûa moû ñoát tính theo (Hu laø nhieät trò theå tích cuûa khí): * .2.2. ρρρ u kk u k u HpkFHpkFHVQ === (3.7) trong ñoù ρkk laø khoái löôïng rieâng cuûa kk' ρ* laø KLR töông ñoái cuûa khí, ρ* = ρk/ρkk Thöøa soá cuoái cuøng trong coâng thöùc (3.7) ñöôïc goïi laø chæ soá Wobbe: *ρ u u HW = (3.8) Moät moû ñoát xaùc ñònh vaän haønh ôû cheá ñoä ñaúng aùp nhöng duøng caùc loaïi khí khaùc nhau seõ coù cuøng coâng suaát nhieät neáu coù chæ soá Wu nhö nhau (không nhất thiết nhiệt trị các khí đó phải bằng nhau). Mặt khác, nếu chỉ số Wobbe khác nhau thì ta phaûi thay ñoåi aùp suaát ñeå giöõ ñöôïc coâng suaát mong muoán khi phaûi thay loaïi khí ñoát. dual gas-oil burner / Ñaàu ñoát chuyeån ñoåi gas-FO Chöông 4. CHAÙY NHIEÂN LIEÄU LOÛNG 4.1 Caùc ñieåm chung Quaù trình chaùy nhieân lieäu loûng là quá trình cháy khuyếch tán. Đơn giản là ta không thể trộn trước không khí với nhiên liệu được vì chúng ở 2 pha khác nhau. Tốc độ cháy do vậy phuï thuoäc chính vaøo toác ñoä khueách taùn nhieân lieäu vaø kk' ñeán vôùi nhau; ngoïn löûa naøy goïi laø ngoïn löûa khueách taùn. Tröôùc khi nhieân lieäu khueách taùn ñöôïc thì noù phaûi bay hôi ra khoûi chaát loûng. Muoán bay hôi nhanh thì beà maët chaát loûng phaûi lôùn töùc laø nhieân lieäu phaûi ñöôïc hoaù buïi (phun söông). Quaù trình chaùy (ngoïn löûa) thaät söï xaûy ra trong pha khí. Nhieân lieäu loûng chia laøm 2 loaïi: deã bay hôi vaø khoù bay hôi. Loaïi deã bay hôi thöôøng ñöôïc troän tröôùc trong caùc boä 'cheá hoaø khí' vaø quaù trình chaùy sau ñoù laø quaù trình chaùy giống như cuûa hoãn hôïp troän tröôùc. Loaïi khoù bay hôi thì vöøa chaùy vöøa bay hôi, ngoïn löûa treân maët chaäu daàu hay từ bấc đèn dầu hỏa cho ta quan saùt hieän töôïng naøy. 4.2 Nhieät ñoä chôùp chaùy vaø nhieät ñoä baét löûa (flash and fire temperatures) Nhiên liệu lỏng bốc hơi như bao chất lỏng khác (ta ngửi thấy mùi). Tốc độ bốc hơi phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ tăng thì tốc độ bốc hơi tăng. Coác chöùa nhieân lieäu loûng bao giờ cũng coù 1 ít hôi nhieân lieäu treân maët thoaùng, trộn lẫn với không khí. Neáu nó ở nhieät ñoä thaáp thì hôi nhieân lieäu bốc lên ít khoâng ñuû taïo thaønh hoãn hôïp chaùy ñöôïc (do loãng quá). Tức là tia lửa điện mồi đánh gần mặt thoáng cũng không làm thay đổi gì. Taêng nhieät ñoä leân thì lượng hơi bốc lên cũng tăng lên và ñeán moät giaù trò naøo ñoù hoãn hôïp trên mặt thoáng seõ giàu hơn, coù khaû naêng chôùp löûa qua maët thoaùng khi gaëp löûa moài. Nhöng chôùp löûa đó chæ thoaùng qua vaø taét luoân vì lửa tiêu thụ hết phần hơi đã tích trữ được, lượng hơi tiếp tục bốc lên ít, chưa đủ duy trì quá trình cháy (ngọn lửa). Nhieät ñoä thaáp nhaát ñeå coù hieän töôïng ñoù goïi laø nhieät ñoä chôùp chaùy. Taêng nhieät ñoä leân nöõa thì ta seõ ñaït tôùi giá trị nhieät ñoä baét löûa. Luùc ñoù löûa sau khi mồi seõ töï duy trì, khoâng coøn bò taét nöõa maø maïnh leân do nó truyền nhiệt xuống pha lỏng làm tăng lượng bay hơi. Có một khoảng nhiệt độ giữa các giá trị chớp cháy và bắt lửa. Caùc boä gia nhieät nhieân lieäu loûng phaûi hoaït ñoäng döôùi nhieät ñoä baét löûa moät khoaûng nhaát ñònh. 4.3 Chaùy gioït nhieân lieäu loûng Ñeán ñaây ta coù theå phaân tích hieän töôïng chaùy cuûa nhieân lieäu loûng, noù phöùc taïp hôn quaù trình chaùy cuûa hoãn hôïp khí troän tröôùc vì coù theâm caùc quaù trình boác hôi loûng thaønh khí (chuyeån pha) vaø khueách taùn tham gia vaøo. Ngoïn löûa naøy goïi laø khueách taùn, noù xaûy ra caùch beà maët gioït nhieân lieäu loûng moät khoaûng, ñöôïc moâ taû nhö treân Hình 4.1 Giöõa maøng löûa vaø maët loûng thì khoâng coù oxy, ngöôïc laïi phía beân kia cuûa maøng löûa thì khoâng coù nhieân lieäu. Nhieân lieäu vaø oxy ñöôïc vaän chuyeån baèng khueách taùn ñeán maøng löûa. ÔÛ ñoù chuùng keát hôïp vôùi nhau trong phaûn öùng chaùy, saûn phaåm taïo ra bay khoûi maøng löûa cuõng baèng khueách taùn. Caùc phaân böôùc cuûa quaù trình chaùy gioït nhieân lieäu loûng bao goàm + Truyeàn nhieät vaøo gioït loûng, moãi ñôn vò khoái löôïng nhieân lieäu caàn nhieät löôïng Q = L + Cl(TW-TR) trong ñoù L laø nhieät aån hoaù hôi cuûa nhieân lieäu; Cl laø nhieät dung rieâng cuûa pha loûng; TR laø nhieät ñoä loûng phía trong gioït; TW nhieät ñoä loûng ngay treân maët. + Hoaù hôi pha loûng thaønh khí, thôøi gian hoaù hôi gioït loûng phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä moâi tröôøng, ñöôøng kính d0 vaø caùc tính chaát vaät lyù cuûa noù: )1 )( )( ln(8 )1ln(8 2 0 2 0 2 0 + −+ − = + == ∞ RBl Bg gg l gg l v v TTCL TTC a d Ba ddt ρ ρ ρ ρ λ trong ñoù λV laø haèng soá hoaù hôi [m2/s]; ρg laø khoái löôïng rieâng pha hôi, ag laø heä soá daãn nhieät ñoä pha hôi, Cg là nhiệt dung riêng pha hơi, T∞ laø nhieät ñoä khí xa gioït loûng, TB laø nhieät ñoä soâi cuûa nhieân lieäu. + khuyeách taùn khí töø beà maët loûng ra ngoaøi tôùi maøng löûa, khí noùng daàn theâm treân ñöôøng ñi: Hối lượng và thời gian khuyếch tán tới màng lửa phụ thuộc bản chất nhiên liệu, nhiệt độ buồng lửa… + Khuyeách taùn oxy töø ngoaøi vaøo maøng löûa + Phaûn öùng chaùy + Khuyeách taùn saûn phaåm chaùy ra xa + Truyeàn nhieät töø maøng löûa ra xung quanh Hình 4.1 Giaûn ñoà ngoïn löûa khueách taùn vaø maät ñoä caùc chaát phaûn öùng Caùc keát luaän chính lieân quan gaàn guõi vôùi thöïc teá coù theå ruùt ra töø phaân tích quaù trình phöùc taïp naøy goàm: (a) Naêng suaát ñoát (năng lượng giải phóng ra trong 1 đơn vị thể tích trong 1 giây, J/m3) nhieân lieäu loûng taêng khi ta giaûm kích thöôùc haït loûng, taêng maät ñoä pha khí vaø taêng toác ñoä trao ñoåi chaát. (b) Maøng löûa khueách taùn khoâng bao giôø tieán saùt ñöôïc ñeán beà maët loûng. Toác ñoä chaùy caøng cao thì maøng löûa caøng caùch xa maët loûng. (c) Maät ñoä nhieân lieäu coù giaù trò cöïc ñaïi ngay treân maët loûng vaø giaûm xuoáng ñeán zero trong maøng löûa cuõng nhö phía beân kia maøng löûa. Maät ñoä oxy thì baèng zero ôû treân maët loûng tôùi maøng löûa, sau ñoù taêng leân cho ñeán giaù trò cuûa moâi tröôøng töï do phía ngoaøi. (d) Nhieät ñoä cöïc ñaïi coù theå ñaït ñöôïc cuûa ngoïn löûa khueách taùn cuõng baèng tröôøng hôïp ngoïn löûa troän laãn tröôùc. 4.4 Bieán buïi daàu (oil pulverization) Ta đã thấy rằng năng suất đốt tăng khi kích thước hạt lỏng giảm. Do tốc độ cháy bụi lỏng tốt nên ta có khả năng điều khiển công suất và ổn định ngọn lửa dể dàng. Hơn nữa hạt lỏng nhỏ hoá hơi nhanh nên phản ứng sẽ hết, tức là cháy sạch, không sinh khói và tạo muội trong buồng đốt. Caùc nguyeân taéc söû duïng ñeå bieán buïi goàm: cô hoïc (phun dầu dưới áp suất cao qua đầu bét phun; phun lên đĩa đang quay ở tốc độ cao…), khí neùn, vaø hôi nöôùc. Caùc voøi (moû) ñoát daàu coâng Maøng löûa Maët loûng Gioït nhieân lieäu Maøng löûa m.ñoä Oxy 0 m.ñoä nhieân lieäu nghieäp thường duøng khí neùn vaø hôi nöôùc cho muïc ñích bieán buïi. Khí neùn trong caùc moû ñoát aùp suaát thaáp cuõng laø nguoàn caáp khoâng khí sơ cấp cho buoàng ñoát. 4.5 Caùc voøi ñoát daàu coâng nghieäp (oil burners) Thông thường các vòi đốt dầu dùng khí nén hay hơi nước để biến bụi và quạt để cấp không khí (gió). Gió được chia ra làm sơ cấp và gió thứ cấp. Gió sơ cấp cấp một phần oxy và để tạo dòng xoáy ban đầu, gió thứ cấp cấp phần oxy còn lại (và dư hơn) đồng thời tạo xoáy mới có thể ngược với xoáy đầu, làm cho qua trình cháy triệt để hơn và ổn định hơn. Chöông 5. CHAÙY NHIEÂN LIEÄU RAÉN 5.1 Giôùi thieäu Nhieân lieäu raén laø loaïi nhieân lieäu coù töø coå nhaát vaø hieän vaãn ñang phoå bieán vaøo baäc nhaát. Ñaàu tieân laø cuûi goã, sau laø caùc loaïi thöïc vaät vaø than cuûi. Than ñaù môû ñaàu thôøi ñaïi coâng nghieäp hoaù. Caùc teân löûa nhieân lieäu raén laø caùc thieát bò toái taân baäc nhaát ngaøy nay. Caùc ví duï veà hoaû hoaïn cho ta nhöõng böùc tranh veà söùc maïnh cuûa quaù trình chaùy chaát raén. Döôùi taùc duïng cuûa nhieät ñoä cao moät soá chaát raén thaêng hoa (naphtalene, long naõo…), moät soá chaûy loûng roài bay hôi. Ngoïn löûa cuûa caùc nhieân lieäu loaïi naøy naèm trong pha khí, döøng caùch maët raén moät khoaûng ngaén bao boïc quanh maët ñoù. Noù coù theå khaù gioáng vôùi ngoïn löûa cuûa gioït nhieân lieäu loûng. Phần lớn than đá đều bị nhiệt phân một phần, biến thành khí đưới tác dụng của nhiệt độ cao. Phần này còn gọi là chất bốc. Phần còn lại là carbon dạng rắn. Than càng trẻ về tuổi địa chất thì càng chứa nhiều chất bốc. Than gầy (anthracite) có ít chất bốc nhất, cho nên nó có thành phần (hàm lượng) carbon cao nhất trong các loại than. 5.2 Ñaëc tính nhieân lieäu raén Thaønh phaàn: Phaân tích sô boä (proximate analysis) : tìm độ ẩm, phần chất bốc, phần carbon rắn và độ tro. Phaân tích cuoái cuøng (ultimate analysis) : tìm thành phần khối lượng của C, S, H, O và tro trong than. Nhieät trò: nhieät trò thaáp LHV; nhieät trò cao HHV Than tieâu chuaån: kgCE, TCE (kg of coal equivalent, ton of coal equivalent) Tro: tính chaát theo nhieät ñoä, nhiệt độ biến dạng mềm, nhieät ñoä noùng chaûy. Phải biết tính chất của tro để chọn phương án thải xỉ thích hợp vì trong các buồng đốt công nghiệp khối lượng tro thải ra rất lớn, có thể đạt nhiều tấn/h. 5.3 Tính toaùn löôïng khoâng khí lyù thuyeát vaø khoùi V0kk = 0,0889(Clv + 0,375 Slvc) + 0,265Hlv – 0,0333Olv m3tc/kgnl Coâng thöùc này ñuùng cho caû nhieân lieäu raén vaø loûng, trong ñoù thaønh phaàn khoái löôïng tính theo %, và là thành phần làm việc (đã loại ẩm và tro ra khỏi nhiên liệu). ví duï Clv= 67 (67% khoái löôïng, khoâng caàn chia 100) Khoái löôïng kk' lyù thuyeát tính theo coâng thöùc G0kk = 0,115(Clv + 0,375 Slvc) + 0,342Hlv – 0,0341 Olv kg/kg Löôïng khoùi (thể tích tiêu chuẩn) taïo thaønh sau khi 1kg nhieân lieäu chaùy heát goàm: Theå tích nitô V0N2 = 0,79 V0kk + 0,8 Nlv/100 m3tc/kg(nl) Theå tích caùc loaïi khí 3 nguyeân töû: V0RO2 = 1,866 (Clv + 0,375 Slvc)/100 m3tc/kgnl Theå tích hôi nöôùc V0H2O = 0,111Hlv + 0,0124Wlv + 0,0161 V0kk m3tc/kgnl Theå tích khoùi lyù thuyeát: V0kh = V0N2 + V0RO2 + V0H2O m3/kg Theå tích khoùi thöïc vôùi heä soá λ cho tröôùc Vkh = V0N2 + V0RO2 + V0H2O + (λ - 1) V0kk m3/kg 5.4 Quá trình cháy một hạt than Quá trình cháy than thực ra là cháy từng hạt trong một lớp hay trong một đám, do đó cần phải được nghiên cứu qua một hạt. Quá trình cháy một hạt than có thể phân đoạn ra như sau: + truyền nhiệt từ ngoài vào hạt than + phân huỷ phần chất bốc trong hạt + khuyếch tán chất bốc ra ngoài + khuyếch tán oxy vào và phản ứng cháy + truyền nhiệt của phản ứng cháy ra xung quanh + cháy khuyếch tán lõi carbon rắn còn lại Mô hình nhiệt phân của Nusselt (lõi teo dần – shrinking core) Quá trình cháy hạt nhiên liệu rắn trong chừng mực nào đó có thể nhìn nhận rất giống với mô hình nhiệt phân của hạt theo Nusselt. Các giả thiết cho mô hình này là hạt có hình cầu đường kính d0=2R, nhiệt độ ban đầu đồng đều T0 rồi tại thời điểm t≥0 bề mặt hạt đột nhiên được nâng nhiệt độ lên đến T∞ và giữ ổn định ở đó; các thông số vật lý của hạt xem đã biết và không đổi, nhiệt sẽ được dẫn vào trong hạt làm nhiệt độ tăng lên. Nếu nhiệt phân xảy ra ở nhiệt độ nhất định là Tp thì mặt có nhiệt độ này sẽ tiến vào tận tâm hạt sau một thời gian. Vị trí (bán kính r) của mặt đẳng nhiệt Tp theo thời gian có thể tính được qua công thức dẫn nhiệt không ổn định cho hình cầu là: ]/exp[sin)1(2 222 10 0),( Ratn R rn nr R TT TT n n tr π π π − − = − − ∑∞ =∞ Năng suất phân huỷ trung bình của hạt là: 2 0 0 d WKW P= kg/s, trong đó Kp là hằng số phụ thuộc từng chất, W0 là khối lượng ban đầu của hạt 5.5 Nghieàn than Thieát bò: Bãi chứa, băng tải, máy nghiền, kho chứa bụi than Saáy than Tính noå cuûa buïi than: bụi than trong không khí là hỗn hợp có tính cháy nổ cao, rất nguy hiểm 5.6 Buoàng ñoát than 5.6.1 Buoàng ñoát lôùp chaët + Thủ công, ghi cố định, lớp than cố định; nạp thêm than, chỉnh gió và cào xỉ bằng tay + Bán thủ công, ghi xích ưu điểm là chi phí ban đầu thấp, đốt được tất cả các loại than, chế độ vận hành mềm dẻo nhựơc: công suất thấp, qui mô nhỏ; ô nhiễm 5.6.2 Buoàng ñoát taàng soâi Kiểm soát/gia công kích thước than trước khi vào lò Các hạt cháy trong tầng giả lỏng (tầng sôi), nhiệt độ lớp khá đồng đều. Nhiệt độ lớp thấp hơn nhiệt độ mềm xỉ 5.6.3 Buoàng ñoát than buïi Là kiểu đốt hiện đại nhất + Hệ thống nghiền than (kho bãi, tiếp nhận, tải, nghiền, kho chứa...) + Hệ thống làm nóng không khí và quạt gió + Vòi phun, tạo xoáy, rất giống đốt dầu Đốt bụi than ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện hiện đại, nó có công suất lớn, hiệu suất cao, điều khiển tốt. Phụ Lục Câu chuyện của người tự học Vương Trí Nhàn 1. Lời khuyên đầu tiên Ở trường đại học ra, sau khi thu xếp được một chỗ làm việc tàm tạm, cái việc mà một thanh niên tự trọng hiện nay phải lo đầu tiên, theo tôi chưa phải là lo học thạc sĩ rồi lần lên tiến sĩ... mà là học để có được một ngoại ngữ có thể sử dụng tự do và trước tiên, dư sức đọc các tài liệu chuyên môn. Mỗi khi có dịp trò chuyện với các bạn trẻ, lời khuyên đầu tiên tôi muốn nói - nếu như được yêu cầu có một lời khuyên - đơn giản như vậy. Đây là kinh nghiệm tự học của tôi, mà cũng là điều tôi rút đúc được, qua nhiều thành bại của các đồng nghiệp. 2. Nhận rõ vị thế của mình! Các trường đại học mà bọn tôi theo học nhà cửa đơn sơ, phòng học nhiều khi chỉ là mấy gian nhà lá trống trải, sách vở và phương tiện thiếu thốn, cổ lỗ. Nay các trường đại học ở ta đã khang trang to đẹp hơn nhiều. Nhưng, theo chỗ tôi hiểu, trước sau trình độ đào tạo ở ta vẫn vậy, người sinh viên ra trường thường không nhập được vào guồng máy sản xuất của xã hội, còn so với trình độ đại học ở các nước tiên tiến thì lại càng không theo kịp (giá có muốn xin việc ở nước ngoài cũng không ai người ta nhận!) Chúng ta chỉ được đào tạo rất sơ sài..., chắc chắn đây là điều mà các bạn trẻ đã nghe nhiều lần. Song biết lơ mơ là một chuyện, mà ghi tạc nó vào tâm trí, để biến thành ý chí, nghị lực trong hành động lại là một chuyện khác. Mà chỉ khi nào người sinh viên ở trường ra thấy đau đớn khổ sở vì mình chưa được học đến nơi đến chốn, tiếc cho tuổi trẻ của mình không vươn tới được cái tầm lẽ ra nó có thể vươn tới... thì người ta mới bắt tay vào tự học thực sự, tự học có kết quả. Nhưng làm thế nào để biết rằng mình còn đang kém cỏi, nếu không đọc rộng ra sách báo nước ngoài? Xin phép được lấy ví dụ từ kinh nghiệm bản thân: Nhờ tự học tiếng Nga, hiểu văn học Nga (và chút ít văn học phương Tây qua tiếng Nga) mà tôi có điều kiện để nhìn nhận văn học Việt Nam phần nào thấu đáo hơn, cũng như quan niệm của tôi, cách hiểu của tôi về văn học nói chung, trong chừng mực nào đó, cũng trở nên hợp lý hơn. Một số bạn trẻ gần đây chỉ lo học ngoại ngữ để giao thiệp, trong khi đó học để đọc sách, kể cả “đọc” qua máy tính... mới là việc chủ yếu của người muốn tự học. 3. Tinh thần lập nghiệp. Ta chỉ hay nói lớp trẻ nên khiêm tốn biết ơn những người đi trước... Song có một tinh thần nữa mà người thanh niên ngày nay phải thấm nhuần, ấy là không thoả mãn với kiến thức được truyền thụ, coi rằng moi việc người trước đã làm đều chưa hoàn thiện, thế hệ mình còn phải tiếp tục; hoặc trong khi chấp nhận sự hoàn thiện của người đi trước, thì vẫn tin rằng thế hệ mình sẽ có cách làm khác, để đi tới một sự hoàn thiện mới. Về mặt đạo đức mà xét, cách tốt nhất để thế hệ đi sau tỏ lòng biết ơn với những người đi trước, là tìm cách vượt lên trên họ. Sự hiểu biết kỹ lưỡng về thành tựu của những người đi trước là nhân tố có vai trò kích thích người trẻ tiếp tục khai phá mở đường. 4. Mấy “chiêu thức” cần thiết Có nhiều “động tác” mới nhìn tưởng là chuyện nhỏ, song lại có ý nghĩa quyết định và các bạn trẻ mới bắt tay tự học nên biết : 1/. Các loại sách từ điển bách khoa cho phép người ta có được bức tranh toàn cảnh về một lĩnh vực kiến thức nào đó, bởi vậy, với những người tự học, là một công cụ thật thuận tiện. Vả chăng không phải chỉ tra một từ điển, mà có khi mò mẫm tra nhiều từ điển khác nhau, để tìm ra cái tối ưu. Khi sử dụng Bách khoa toàn thư, không nên quên theo dõi phần thư mục của nó, để tìm xem chung quanh vấn đề mình đang theo đuổi có những quyển sách nào đáng đọc nhất, rồi dành thời gian đọc bằng được. Theo cách này, tôi đã có thể hiểu kỹ thêm vài môn học mà quả thực, lúc học ở trường, chưa được các thày dạy, hoặc dạy quá sơ sài, thậm chí là dạy sai nữa. 2/ Trong khi tự đặt cho mình một kỷ luật làm việc, đồng thời ta nên dành ra những khoảng trống tự do, để từ lĩnh vực mình phải học, đọc lấn sang các lĩnh vực khác. Ví dụ, trong khi học về văn học, tôi đồng thời có ý tìm đọc thêm sách sân khấu, hội hoạ, có lúc lan man sang cả sinh học, cơ học lượng tử... Không bao giờ tôi coi những bước lang thang này là mất thì giờ, ngược lại, thấy biết ơn những kiến thức xa lạ ấy, vì nhờ có chúng, những suy nghĩ của tôi về văn chương và đời sống trở nên mềm mại hơn. 3/ Nên biến việc tự học thành một việc hữu ích. Tức là người tự học cũng nên tính tới những sản phẩm cụ thể, và nếu những sản phẩm này biến thành hàng hoá, mang lại cho đương sự một số tiền nho nhỏ thì...càng tốt. Tôi nhớ hồi đang mê đọc các thứ lý luận về tiểu thuyết, tôi đồng thời nhận làm các bản lược thuật cho Viện thông tin khoa học xã hội. Đáng lẽ chỉ tuỳ tiện ghi lại kiến thức vào sổ tay thì tôi phải trình bày lại chúng một cách sáng sủa, để người khác có thể sử dụng được. Tiền thu được chẳng là bao, nhưng nó buộc tôi phải làm công việc của mình một cách nghiêm túc. 5. Bản lĩnh và may mắn Bên cạnh yếu tố chủ quan của người đi học, thì việc học hỏi thành bại hay không còn phụ thuộc vào ông thày. Người tự học phải biết tìm thầy cho chính mình. Và nếu như sau một thời gian đọc hàng núi sách, anh chợt nhận ra mình toàn loay loay với những cuốn sách hạng ba hạng tư, thời giờ đã mất, mà kiến thức thu được chẳng bao nhiêu, thì người đáng để anh ta buông lời trách móc lại là chính bản thân anh - oái oăm là ở chỗ đó! Thường nhìn vào khoa học, người ta dễ bắt gặp một khung cảnh ồn ào lộn xộn. Vậy nên khi bước vào đó, người tự học luôn luôn cần có một chút tỉnh táo để biết trong trường hợp của mình, thầy nào đáng theo, sách nào đáng đọc kỹ trước tiên. Tức là phải có được một bản lĩnh nhất định, và cả một chút may mắn nữa. Nói là phải đọc hàng ngàn cuốn sách, hàng vạn bài báo khác nhau, song người có kinh nghiệm đều biết trên con đường tự học thực ra chỉ có một hai cuốn sách nào đó với bản thân là có ý nghĩa nhất: những quyển sách ấy làm thay đổi cả hướng đi của mình, do đó cả cuộc đời mình. Nếu như bằng trực giác, bằng mẫn cảm, ta đã tìm được một hai cuốn sách lớn, và biết coi nó là bạn đồng hành suốt đời, đọc mãi không chán, thì hoàn toàn có thể tự coi là mình biết học, và may mắn ấy, không phải ai cũng có. Nhấn mạnh một chút hên xui không phải để làm chùn bước các bạn trẻ : chính những đỏng đảnh bất định này lại là chút muối mặn mà làm cho công việc tự học của chúng ta không bao giờ nhàm chán. Trong số rất nhiều định nghĩa về con người hiện đại, có một định nghĩa đơn giản như sau: Đó là con người biết làm ra chính mình. Theo tiêu chuẩn này mà xét, thì người biết tự học luôn luôn là con người hiện đại./. TÓM TẮT Ngắn gọn nhất, muốn cháy được phải có 3 yếu tố: nhiên liệu, oxy và nhiệt độ cao. Muốn dập lửa phải cắt giảm 1 trong 3 yếu tố đó hoặc tốt nhất là đồng thời giảm cả 3. SEE FIRE DISASTERS FILE THERMOCHEMISTRY LECTURE NOTES Matter and Energy The universe is composed of matter and energy. Matter includes all tangible things, and has mass and volume which can be measured. The concept of energy is more difficult to grasp because energy is intangible. Energy, unlike matter, cannot be held in your hand. Energy can be defined as the capacity to do work (move matter) or produce heat. A wound clock acquires "something" with which it can do work. This "something" that enables the clock to do work is energy. An object can exhibit energy in two fundamental ways, kinetic energy (Ek) and potential energy (EP). Kinetic energy is the energy of motion an object associated with mechanical work, and is described mathematically by the equation; EK = ½ mv2, where m is mass and v is velocity. Potential energy is stored energy, it is energy related to position. An object has potential energy by virtue of its position in a field of force. A 1 kg object held 1 m above the surface of the earth has a potential energy of EP = mgh = (1 kg)(9.8 m/s2)(1 m) = 1 kg⋅m2/s2. Potential energy can be thought of as work already done. The SI unit of energy is a derived unit called the joule (J). The SI natural units of energy are kg⋅m2/s2. (1 J = 1 kg⋅m2/s2 ) 1 calorie (cal) = 4.184 J Example 1 How many joules are in 8.32 cal? [34.8 J] The Law of Conservation of Energy states that in a physical or chemical change energy may be exchanged between a system and its surroundings but energy cannot be created or destroyed. Energy may be converted from one form to another, but the total quantity of energy remains constant. The energy of the universe remains unchanged and is therefore constant. Work is defined by the mathematical relationship: work = force x distance. The SI unit of force is the newton (N). 1N = 1 kg⋅m/s2. Energy and work have the same units. work = force x distance = 1 N x 1 m = 1 kg⋅m2/s2 = 1 J Chemists define work as directed energy change resulting from a process. Chemical processes (reactions) are almost always accompanied with the absorption or release of one form of energy, heat (thermal energy). The study of the energy (heat) change associated with chemical reactions is known as thermochemistry. Thermal energy, Heat, and Temperature Thermal energy is the energy of motion (kinetic energy) of the unit particles of a substance. The unit particles of any substance not at zero K (absolute zero) have thermal energy. The unit particles of a solid are in close contact and movement of such particles is limited to rotational and vibrational. Particles in a liquid exhibit all three types of molecular motion (translational, rotational, and vibrational) even though they are in constant contact with each other. The particles of a gas have the greatest freedom of the three states of matter and move freely about in space. The higher the temperature, the faster the particles move. Temperature is a relative measure of how hot or how cold an object is. It is a measure of the average random motion (kinetic energy) of the unit particles of an object. It is the property of an object that determines the direction in which thermal energy will be transferred when it is in contact with another object at a different temperature. When two objects are in contact with one another, and at the same temperature, the average kinetic energy of the unit particles of the two objects is equal. Heat (q) is the thermal energy that "flows" into or out of a substance due to a temperature difference. Heat flows spontaneously from the warmer object to the colder object. Thermochemistry Terms To study the heat associated with a particular reaction, scientists have developed a convention which defines and designates that part of the universe where the heat is being transferred. The universe is understood to be divided into two separate but integral parts, the system and the surroundings (Universe = System + Surroundings). The system is the substance or mixture of substances under study in which a change occurs or simply stated, it is the part of the universe under investigation. The surroundings compose the other part of the universe. In other words, the surroundings include both the apparatus which contains the substance under study, and the space around the apparatus. Separating the system from the surroundings is the boundary, which can be real (like the walls of a beaker) or imaginary. The internal energy (E) of a system is the sum of the kinetic energy (Ek) and potential energy (EP) of all the unit particles (atoms, molecules, ions) of the system. E = Ek+ EP The following table will perhaps aid in understanding the concept and origin of the energies of a system’s composition. The kinetic energy (thermal energy) is associated with random molecular motion. There are three types. The potential energy (chemical energy) is associated with electrostatic attractions within and between molecules. There are two types. 1. Tranlational 1. Intramolecular forces (bonds) 2. Rotational 2. Intermolecular forces 3. Vibrational The Greek letter Δ (delta) is used to indicate changes in state functions. Thus, ΔE = Efinal - Einitial is the change of internal energy between initial and final states. A positive value for ΔE (ΔE > 0) means internal energy increases. Energy is added to the system. A negative value for ΔE (ΔE < 0) means internal energy decreases. Energy leaves the system. Stated mathematically in terms of internal energy, heat and work, the law of conservation of energy is referred to as the first law of thermodynamics and is expressed as: ΔEsystem = qsystem + wsystem In this equation, qsystem is the quantity of energy transferred by heating the system and wsystem is quantity of energy transferred by doing work on the system. These two thermodynamic quantities will have a magnitude and a sign. The sign conventions are as follows: If heat is transferred into the system from the surroundings, then q is assigned a positive sign, +q. If heat is transferred out of the system to the surroundings, then q is assigned a negative sign, -q. If work is done on the system by the surroundings, then w is assigned a positive sign, +w. If work is done by the system on the surroundings, then w is assigned a negative sign, -w. Example 2 A gas absorbs 35.0 J of heat and does 15.0 J of work. What is ΔE? ΔE = q + w = (+35.0 J) + (-15.0 J) = +20.0 J Substances differ in their response to being heated or cooled. The specific heat capacity (or specific heat) is the amount of thermal energy required to raise the temperature of one gram of a substance one degree Celsius or Kelvin. Specific heat is an intensive property but varies with temperature. The mathematical equation relating specific heat and temperature change is: q = (mass)(specific heat)(ΔT) Example 3 How much heat is required to raise the temperature of a 850 gram block of aluminum from 22.8oC to 94.6oC? The specific heat of Al is 0.902 J/g.oC. q = (mass)(specific heat)(ΔT) = (850 g)(0.902 J/g.oC)(94.6oC-22.8oC) = + 55.0 kJ Example 4 What is the specific heat of iron at 25oC if 285 J of heat were transferred when a 33.69 gram sample of iron cooled from 43.8o0C to 25oC? q = (mass)(specific heat)(ΔT) -285 J = (33.69 g)(specific heat)(25.0oC - 43.80oC) specific heat = 0.45 J/g.oC Example 5 A 25.88 g sample of a metal was heated to 85.32 oC and then dropped into 35.14 g of water at 22.48 oC. The temperature of the water rose to 26.47 oC. What is the identity of the metal? Al 0.902 J/g.oC; Cu 0.385 24.5 J/g.oC; Fe 0.449 J/g.oC; Pb 0.128 J/g.oC; Ag 0.235 J/g.oC [Answer pecific Heat = 0.385 J/g.oC The metal is copper.] Example 6 Calculate the final temperature when 25.00 g of water at 20.0 oC is mixed with 75.00 g of water at 40.00 oC. [TFinal = 35.0 oC] A change of state or phase transition is a change of a substance from one state to another. Melting (fusion) is the change of a solid to the liquid state. H2O(s) ---> H2O(l) Freezing is the change of a liquid to the solid state. H2O(l) ---> H2O(s) Vaporization is the change of a liquid to the vapor. H2O(l) ---> H2O(g) Condensation is the change of a gas to a liquid. H2O(g) ---> H2O(l) Sublimation is the change of a solid directly to the vapor. H2O(s) ---> H2O(g) Deposition is the change of a vapor directly to the solid. H2O(g) ---> H2O(s) In any phase transition, heat (q) will be transferred as the substance undergoes the transition. Vaporization is an endothermic process. Endothermic processes occur when heat energy is transferred into a system. H2O(l) ---> H2O(g) q = +40.7 kJ/mol Condensation is an exothermic process. Exothermic processes occur when heat energy is transferred out of a system. H2O(g) ---> H2O(l) q = -40.7 kJ/mol Enthalpy (ΔH) is the heat transferred in a physical or chemical process occurring at constant pressure. The quantity of heat associated with a physical change (e.g., heat of vaporization, qvap) can be calculated as the product of the amount (mole) of the substance and the enthalpy of the phase change (e.g., enthalpy of vaporiztion, qvap). qvap = (mole)(ΔHvap) Example 7 How much heat is required to vaporize 25.0 g of carbon disulfide at 25oC? The heat of vaporization (ΔHvap) for carbon disulfide is +27.4 kJ/mol. qvap = (mole)(ΔHvap) = (25.0 g)(1mol/76.15 g)(27.4 kJ/mol) = 9.00 kJ Example 8 Liquid butane, C4H10, is stored in cylinders to be used as a fuel. Suppose 31.4 g of butane gas is removed from a cylinder. How much heat must be provided to vaporize this much gas? The heat of vaporization of butane is 21.3 kJ/mol. qvap = (mole)(ΔHvap) = (31.4 g)(1 mol/ 58.14 g)(21.3 kJ/mol) = 11.5 kJ Heats of Reaction and Enthalpy Change, ΔH A thermochemical equation is a balanced chemical reaction equation (including phase labels) with the enthalpy of reaction value written directly after the equation. 2Na(s) + 2H2O(l) ---> 2NaOH(aq) + H2(g) ΔH = -367.5 kJ A negative value (-) for ΔH indicates an exothermic reaction, that is heat is produced by the reaction system. CH4(g) + 2 O2(g) ---> CO2(g) + 2 H20(g) ΔH = - 890 kJ A positive value (+) for ΔH indicates an endothermic reaction, that is heat is absorbed by the reaction system. CH3OH(l) ---> CO(g) + 2H2(g) ΔH = +90.7 kJ The value of ΔH depends upon the phase of the reactants and the products. 2H2 (g) + O2 (g) ---> 2H2O(g) ΔH = -483.7 kJ 2H2(g) + O2(g) ----> 2H2O(l) ΔH = -571.7 kJ Stoichometric Calculations Involving Thermochemical Equations 1. When a thermochemical equation is multiplied by any factor, the value of ΔH for the new equation is obtained by multiplying the value of ΔH in the original equation by that same factor. 2. When a chemical equation if reversed, the value of ΔH is reversed in sign. EXAMPLE 3 Using the following thermochemical equation, calculate how much heat is associated with the decomposition of 4.00 moles of NH4Cl. NH3(g) + HCl(g) ---> NH4Cl(s) ΔH = - 176 kJ (4.00 mol NH4Cl)(+176 kJ/1 mol NH4Cl) = +704 kJ EXAMPLE 4 How much heat is associated with the synthesis of 45.0 g of NH3 according to the following equation? 4 NO(g) + 6 H2O(l) ---> 4 NH3(g) + 5 O2(g) ΔHrxn = +1170 kJ (45.0 g NH3)(1 mol/17.04 g NH3) = 2.641 mol NH3 (2.641 mol NH3)(+1170kJ/4 mol NH3) = +772 kJ EXAMPLE 5 Calculate the mass of ethane, C2H6, which must be burned to produce 100 kJ of heat. 2 C2H6(g) + 7 O2(g) ---> 4 CO2(g) + 6 H2O(l) ΔH = - 3120 kJ (-100 kJ)(2 mol C2H6 / -3120 kJ) = 0.0641 mol C2H6 (0.0641 mol C2H6)(30.08 g C2H6/1 mol C2H6) = 1.93 g C2H6 Calorimetry Calorimetry is the measurement of heat changes. A calorimeter is an apparatus used to measure the quantity of thermal energy gained or lost during physical or chemical changes. Bomb Calorimetry: Reactions at Constant Volume The amount of heat given off by the combustion of a fuel can be determined very accurately in the so-called bomb calorimeter, which consists of a combustion chamber (the "bomb") set in another chamber filled with water. Heat generated by combustion of the fuel is transmitted to the water, raising its temperature. The calorie content of food is tested this way. Bomb calorimeters are usually composed of two parts, the bomb itself wherein the reaction takes place and the water which surrounds the bomb. The calculations for determining the heat of reaction require that the heat change of the bomb and the water be considered individually. qcalorimeter = heat capacity of the calorimeter x ΔT qsystem = qcalorimeter + qrxn Because no heat enters or leaves the system qsystem = 0 qrxn = -qcalorimeter= - Ccalorimeter(ΔT) or another way of looking at it is that the heat associated with the reaction will be transferred to the calorimeter so that the heat will have the same magnitude but opposite sign. The amount of heat involved in a reaction can be determined from: qrxn = qwater + qbomb qwater = measured heat change of the water. qbomb = measured heat change of bomb. Thus, qwater and qbomb must be formed before qrxn can be determined. qwater = (specific heat of water)(mass of water)(ΔT) qcalorimeter = (heat capacity of the bomb)(ΔT) EXAMPLE 11 Exactly 3.00 g of graphite is burned to CO2 in a copper calorimeter. The initial temp is 25.0oC and the final temp was 36.3oC. The heat capacity of the calorimeter is 8.887 kJ/oC. What is the thermochemical equation for the combustion of graphite? A. Calculate the heat transferred to the calorimeter. qcalorimeter = C(ΔT) = (8.887 kJ/oC)(36.3oC - 25.0oC) = +100.4 kJ The energy change for the reaction is equal in magnitude and opposite in sign to the heat energy required to raise the temperature of the calorimeter. This means that qrxnis -100.4 kJ. B. Derive the thermochemical equation for the combustion of graphite. C(s) + O2(g) ---> CO2(g) ΔH = ? (-100.4 kJ)/[(3.00 g C)(1 mol C/12.01 g C)] = -401.9 kJ/mol C (1 mole C(s))(-401.9 kJ/mol C) = -401.9 kJ C(s) + O2(g) ---> CO2(g) ΔH = -401.9 kJ EXAMPLE 12 A certain calorimeter has a heat capacity of 16.35 kJ/oC. What is the final temperature of the calorimeter if 17.038 g of kerosene (C12H26) is burned in the calorimeter? The initial temperature of the calorimeter is 25.00 oC. The heat of combustion of kerosene is shown in the equation below. C12H26(l) + 37/2 O2(g) ---> 12 CO2(g) + 13 H2O(l) ΔH = -7513 kJ A. (17.038g C12H26)(1 molC12H26/170.38g C12H26)(-7513 kJ/mol C12H26) = -751.3 kJ B. qrxn = -qcal = -C(ΔT) -751.3 kJ = -(16.35 kJ/oC)(Tf - 25.00oC) Tf = 70.95oC Hess’s Law For a chemical equation that can be written as the sum of two or more steps, the enthalpy change for the overall equation equals the sum of the enthalpy changes for the individual steps. In other words, no matter how you go from given reactants to products (whether in one step or several), the enthalpy change for the overall chemical change is the same. Hess's law states that the heat transferred in a given change is the same whether the change takes place in a single step or in several steps. ΔHrxn for a given reaction is the same whether that reaction takes place directly through one step or via several different reactions. S(s) + O2(g) ---> SO2(g) ΔH = -296 kJ SO2(g) + 1/2 O2(g) ---> SO3(g) ΔH = -98.9 kJ ____________________________________________ S(s) + 1 1/2 O2(g) ---> SO3(g) ΔH = -394.9 kJ In order to use Hess's Law: 1) If a rxn is reversed, the sign of ΔH is reversed. S(s) + O2(g) ---> SO2(g) ΔH = -296 kJ SO2(g) ---> S(s) + O2(g) ΔH = +296 kJ 2) If the coefficients in a balanced equation are multiplied by some number, the value of ΔH must be multiplied by that same number. S(s) + O2(g) ---> SO2(g) ΔH = -296 kJ 2 S(s) + 2 O2(g) ---> 2 SO2(g) ΔH = (2)(-296 kJ) = -592 kJ EXAMPLE 13 Calculate ΔH for the vaporization of water from liquid using the thermochemical equations given. H2O(l) ---> H2O(g) ΔH = ? a) H2(g) + 1/2 O2(g) --->H2O(l) ΔH = -286 kJ b) H2(g) + 1/2 O2(g) ---> H2O(g) ΔH = -242 kJ H2O(l) ---> H2(g) + 1/2 O2(g) ΔH = +286 kJ H2(g) + 1/2 O2(g) ---> H2O(g) ΔH = -242 kJ _____________________________________ H2O(l) ----> H2O(g) ΔH = +44 kJ EXAMPLE 14 Calculate ΔH for the following reaction using the thermochemical equations given. 2 C(s) + H2 (g) ---> C2H2 (g) ΔH = ? a) C(s) + O2 (g) ---> CO2 (g) ΔH = -393.5 kJ b) H2 (g) + 1/2 O2 (g) ---> H2O(l) ΔH = -285.8 k J c) 2 C2H2 (g) + 5 O2 (g) ---> 4 CO2 (g) + 2 H2O(l) ΔH = -2598.8 kJ Solution: 2 C(s) + 2 O2 (g) ---> 2 CO2 (g)ΔH = -787.0 kJ H2 (g) + 1/2 O2 (g) ---> H2O(l)ΔH = -285.8 k J 2 CO2 (g) + H2O(l) ---> C2H2 (g) + 2 1/2 O2 (g) ΔH = +1299.4 kJ _____________________________________________________ 2 C(s) + H2 (g) ---> C2H2 (g)ΔH = +226.6 kJ Standard Enthalpy of Formation, ΔHof The change in enthalpy that accompanies the formation of one mole of a substance from its elements with all substances in their standard state at 25oC and 1 atm is referred to as standard enthalpy of formation, ΔHof. Standard state is the standard thermodynamic conditions chosen for substances when listing or comparing thermodynamic data: 1 atm pressure and 25oC. Standard conditions are indicated by a superscript degree sign (o). For a gas, the standard state is a pressure of exactly 1 atmosphere. For a substance present in solution, the standard state is a concentration of exactly 1 M. For a pure substance in a condensed state (liquid or solid), the standard state is the pure liquid or solid. For an element, the standard state is the form in which the element exists under conditions of 1 atm and 25oC. The standard enthalpies of formation of the elements in their standard states are zero. The standard enthalpy change, ΔHo, for any chemical reaction is found by subtracting the sum of the heats of formation of the reactants from the sum of the heats of formation of the products. This is shown in the following equation. ΔHo= ΣΔHof (Products) - ΣΔHof (Reactants) [NOTE: "Σ" is the symbol which means "sum".] EXAMPLE 15 Using the standard heats of formation, calculate the standard heat of reaction, ΔHo , for the following reaction. 2 NO2 (g) ---> N2O4 (g) ΔHo = ? ΔHof NO2 (g)= +33.9 kJ/mol; ΔHof N2O4 (g) = +9.7 kJ/mol ΔHo= ΣΔHof (Products) - ΣΔHof (Reactants) ΔHo = [(1 mol N2O4)(9.7 kJ/mol)] - [(2 mol NO2)(33.9 kJ/mol)] = -58.1 kJ EXAMPLE 16 Using the standard heats of formation, calculate the standard heat of reaction, ΔHo , for the following reaction. C7H16 (l)+ 11 O2 (g) ----> 7 CO2 (g) + 8 H2O(l) ΔHo = ? ΔHof C7H16 (l) = -198.8 kJ/mol; ΔHof CO2 (g) = -393.5 kJ/mol; ΔHof H2O(l) = -285.9 kJ/mol ΔHo= ΣΔHof (Products) - ΣΔHof (Reactants) ΔHo = [(7 mol CO2)(-393.5 kJ/mol) + (8 mol H2O(l))(-285.9 kJ/mol)] - [(1 mol C7H16 (l))(-198.8 kJ/mol)] = -5041.7 kJ - (-198.8 kJ) = -4842.9 kJ CHEMISTRY 101 THERMOCHEMISTRY SAMPLE PROBLEMS 1. How much heat is liberated when 6.00 mol of Fe2O3(s) are reacted according to the following reaction? (-21.4 kcal) 3 Fe2O3(s) + CO(g) --> 2 Fe3O4(s) + CO2(g) ΔH = -10.7 kcal 2. What amount of heat is associated with the reaction of 43.77 g of NaCl with sulfuric acid? (+23.81 kJ) H2SO4(l) + 2 NaCl(s) --> Na2SO4(s) + 2 HCl(g) ΔH = +63.60 kJ 3. A 466 g sample of water is heated from 8.50C to 74.60C. Calculate the amount of heat absorbed by the water. The specific heat of water is 4.184 goC. (129 kJ) 4. An electrical heater is used to supply 25.0 J of energy to a 25.0 g sample of Ag originally at 22oC. Calculate the final temperature. The specific heat of Ag is 0.2349 goC. (26oC) 5. Assuming no heat loss to the surrounding or to the container, calculate the final temperature when 100 g of silver at 40.0oC is immersed in 60.0 g of water at 10.0oC. The specific heat of silver is 0.2349 J/goC and for water is 4.184 J/goC. (12.6oC) 6. Determine ΔHofor the following reaction of burning ethyl alcohol in oxygen: C2H5OH(l) + 3 O2(g) ---> 2 CO2(g) + 3 H2O (l) ΔH = ? (-327.2 kcal) ΔHf of C2H5OH(l) = -65.9 kcal/mol; ΔHf of CO2(g) = -94.1 kcal/mol; ΔHf of H2O(l) = -68.3 kcal/mol 7. From the following equations and the enthalpy changes, calculate the enthalpy of reaction of iron(III) oxide, Fe2O3, with carbon monoxide: Fe2O3(s) + 3 CO(g) ---> 2 Fe(s) + 3 CO2(g) ΔH = ? (-26.7 kJ) (a) CO(g) + 1/2 O2(g) ---> CO2(g) ΔH = -283.0 kJ (b) 2 Fe(s) + 3/2 O2(g) ---> Fe2O3(s) ΔH = -822.3 kJ 8. Using the thermochemical equations given, calculate the heat of hydrogenation of acetylene. C2H2(g) + 2 H2(g) --> C2H6(g) ΔH = ? (-312 kJ) (a) 2 C2H2(g) + 5 O2(g) --> 4 CO2 + 2 H2O(g) ΔH = -2602 kJ (b) 2 C2H6(g) + 7 O2(g) --> 4 CO2 + 6 H2O(g) ΔH = -3123 kJ (c) 2 H2(g) + O2(g) --> 2 H2O(g) ΔH = -572 kJ 9. The combustion of 1 mol of benzene, C6H6(l), to produce CO2(g) and H2O(l) liberates 3271 kJ. Given the the ΔHf of CO2(g) and H2O(l) are -394 kJ/mol and -286 kJ/mol respectively, calculate the heat of formation of benzene. (+49 kJ/mol) CALORIMETRY 10. A quantity of 1.435 g of naphthalene (C10H8) was burned in a constant-volume bomb calorimeter. Consequently, the temperature of the water rose from 20.17C to 25.84C. If the quantity of water surrounding the calorimeter was exactly 2000 g and the heat capacity of the bomb calorimeter was 1.80 kJ/C, calculate the heat of combustion of naphthalene on a molar basis; that is , find the molar heat of combustion. (-5.15 x 103 kJ/mol) 11. A quantity of 1.00 x 102 mL of 0.500 M HCl is mixed with 1.00 x 102 mL of 0.500 M NaOH in a constant-pressure calorimeter having a heat capacity of 335 J/C. The initial temperature of the HCl and NaOH solutions is the same, 22.50C, and the final temperature of the mixed solution is 24.90C. Calculate the heat change for the neutralization reaction NaOH(aq) + HCl(aq) ---> NaCl(aq) + H2O(l) Assume that the densities and specific heats of the solutions are the same as for water (1.00g/mL and 4.182 J/gC, respectively). (-56.2 kJ/mol) WORK 12. A certain gas initially at room temperature undergoes an expansion in volume from 2.0 L to 6.0 L at constant temperature. Calculate the work done by the gas if it expands (a) against vacuum and (b) against a constant pressure of 1.2 atm. 1 L.atm = 101.325 J ((a) 0 (b) -4.8 Latm = -4.9 x 102 J) 13. The work done when a gas is compressed in a cylinder is 462 J. During this process, there is a heat transfer of 128 J from the gas to the surroundings. Calculate the energy change for this process. (334 J) 14. The oxidation of nitric oxide to nitrogen dioxide is a key step in the formation of smog: 2NO(g) + O2(g) ---> 2NO2(g) ΔH = -113.1 kJ If 6.00 moles of NO react with 3.00 moles of O2 at 1.00 atm and 25C to form NO2, calculate the work done (in kilojoules) against a pressure of 1.00 atm. What is the ΔU for the reaction? Assume the reaction to go to completion. 1 L.atm = 101.325 J (7.39 x 103J = 7.39 kJ, ΔU = -331.9 kJ) Formula Name ΔHf (kcal/mol) H2 Hydrogen 0.0 CH4 Methane -17.9 C2H6 Ethane -20.0 C3H8 n-Propane -25.0 C4H10 n-Butane -30.0 C5H12 n-Pentane -35.1 C6H14 n-Hexane -40.0 C7H16 n-Heptane -44.9 C8H18 n-Octane -49.8 C9H20 n-Nonane -54.8 C10H22 n-Decane -59.6 C4H10 2-Methylpropane (Isobutane) -32.1 C5H12 2,2-Dimethylpropane (Neopentane) -40.1 C5H12 2-Methylbutane (Isopentane) -36.9 C6H14 2,2-Dimethylbutane -44.5 C6H14 2-Methylpentane (Isohexane) -41.8 C6H14 3-Methylpentane -41.1 C6H14 2,3-Dimethylbutane -42.5 C7H16 2,2,3-Trimethylbutane -49.0 C7H16 3-ethylpentane -45.3 C8H18 2,2,3,3-Tetramethylbutane -53.9 C7H16 2-Methylhexane -46.5 C7H16 3-Methylhexane -45.7 C7H16 2,2-Dimethylpentane -49.2 C7H16 3,3-Dimethylpentane -48.1 C7H16 2,3-Dimethylpentane -47.3 C7H16 2,4-Dimethylpentane -48.2 C8H18 2-Methylheptane -51.5 C8H18 2,2-Dimethylhexane -53.7 C8H18 2,3-Dimethylhexane -55.1 C8H18 2,4-Dimethylhexane -52.4 C8H18 2,5-Dimethylhexane -53.2 C8H18 3,3-Dimethylhexane -52.6 C8H18 3,4-Dimethylhexane -50.9 C8H18 3-Ethyl-2-Methylpentane -50.4 C8H18 3-Ethyl-3-Methylpentane -51.4 C8H18 2,2,3-Trimethylpentane -52.6 C8H18 2,2,4-Trimethylpentane (Isooctane) -53.5 C8H18 2,3,3-Trimethylpentane -51.7 C8H18 2,3,4-Trimethylpentane -51.9 C9H20 3,3-Diethylpentane -55.7 C9H20 2,2,3,3-Tetramethylpentane -56.7 C9H20 2,2,3,4-Tetramethylpentane -56.6 C9H20 2,2,4,4-Tetramethylpentane -57.8 C9H20 2,3,3,4-Tetramethylpentane -56.4 Miscellaneous Compounds Species Phase(Matter) Chemical Formula ΔHfo (kJ/mol) Aluminum Solid Al 0 Aluminum Chloride Solid AlCl3 -705.63 Aluminum Oxide Solid Al2O3 -1675.7 Barium Chloride Solid BaCl2 -858.6 Barium Carbonate Solid BaCO3 -1213 Barium Oxide Solid BaO -548.1 Barium Sulfate Solid BaSO4 -1473.2 Beryllium Solid Be 0 Beryllium Hydroxide Solid Be(OH)2 -902.5 Boron Trichloride Solid BCl3 -402.96 Bromine Liquid Br2 0 Bromine Gas Br 111.884 Bromine Gas Br2 30.91 Bromine Trifluoride Gas BrF3 -255.60 Hydrobromic Acid Gas HBr -36.29 Calcium Solid Ca 0 Calcium Gas Ca 178.2 Calcium(II) Ion Gas Ca2+ 1925.90 Calcium carbide Solid CaC2 -59.8 Calcium Carbonate(Calcite) Solid CaCO3 -1207.6 Calcium Chloride Solid CaCl2 -795.8 Calcium Phosphate Solid Ca3(PO4)2 -4132 Calcium Fluoride Solid CaF2 -1219.6 Calcium Hydride Solid CaH2 -186.2 Calcium hydroxide Solid Ca(OH)2 -986.09 Calcium hydroxide Aqueous Ca(OH)2 -1002.82 Calcium Oxide Solid CaO -635.09 Calcium Sulfate Solid CaSO4 -1434.52 Calcium Sulfide Solid CaS -482.4 Benzene Liquid C6H6 48.95 Benzoic acid Solid C7H6O2 -385.2 Carbon(Graphite) Solid C 0 Carbon(Diamond) Solid C 1.8 Carbon Gas C 716.67 Carbon Dioxide Gas CO2 -395.893 Carbon disulfide Liquid CS2 89.41 Carbon disulfide Gas CS2 116.7 Carbon Monoxide Gas CO -110.525 Carbon tetrachloride Liquid CCl4 -139.5 Carbon tetrachloride Gas CCl4 -103.18 Carbonyl Chloride(Phosgene) Gas COCl2 -218.8 Ethane Gas C2H6 -83.85 Ethanol Liquid C2H5OH -277.0 Ethanol Gas C2H5OH -235.3 Ethene Gas C2H4 52.47 Ethyne Gas C2H2 226.73 Methane Gas CH4 -74.87 Methanol(Methyl Alcohol) Liquid CH3OH -238.4 Methanol(Methyl Alcohol) Gas CH3OH -201.0 Methyl Trichloride(Chloroform) Liquid CHCl3 -134.47 Methyl Trichloride(Chloroform) Gas CHCl3 -103.18 Propane Liquid C3H8 -104.7 Caesium Solid Cs 0 Caesium(I) ion Gas Cs+ 457.964 Caesium chloride Solid CsCl -443.04 Chlorine Gas Cl2 0 Chromium Solid Cr 0 Copper Solid Cu 0 Fluorine Fluorine Gas F2 0 Hydrogen Gas H2 0 Water Liquid H2O -285.83 Water Gas H2O -241.83 Hydrogen Peroxide Liquid H2O2 -187.78 Hydrogen Cyanide Gas HCN +130.5 Hydrogen Iodide Gas HI +26.5 Hydrofluoric acid Gas HF -269 Hydrochloric acid Gas HCl -92.30 Iodine Solid I2 0 Iodine Gas I2 62.438 Magnesium Carbonate Solid MgCO3 -1111.69 Magnesium Chloride Solid MgCl2 -641.8 Magnesium hydroxide Solid Mg(OH)2 -924.54 Magnesium Oxide Solid MgO -601.24 Magnesium sulfate Solid MgSO4 -1278.2 Manganese Manganese(II) Oxide Solid MnO -384.9 Manganese(IV) Oxide Solid MnO2 -519.7 Mercury Mercury(II) Oxide (red) Solid HgO -90.83 Mercury Sulfide (red, cinnabar) Solid HgS -58.2 Nickel Nitrogen Ammonia Aqueous NH3 -80.8 Ammonia Gas NH3 -45.90 Nitrogen Dioxide Gas NO2 33.1 Nitrogen Monoxide Gas NO 90.29 Oxygen Monoatomic oxygen Gas O 249 Ozone Gas O3 143 Phosphorus Phosphorus trichloride Liquid PCl3 -320 Phosphorus pentachloride Solid PCl5 -440 Potassium Potassium Bromide Solid KBr -392.2 Potassium Chlorate Solid KClO3 -397.73 Potassium chloride Solid KCl -436.68 Potassium Fluoride Solid KF -562.6 Potassium Perchlorate Solid KClO4 -430.12 Silicon Silica (Quartz) Solid SiO2 -910.86 Silver Silver Bromide Solid AgBr -99.5 Silver Chloride Solid AgCl -127.01 Silver Iodide Solid AgI -62.4 Silver Oxide Solid Ag2O -31.1 Silver Sulfide Solid Ag2S -31.8 Sodium Sodium Carbonate Solid Na2CO3 -1130.77 Sodium chloride Aqueous NaCl -407.27 Sodium chloride Solid NaCl -411.12 Sodium chloride Liquid NaCl -385.92 Sodium chloride Gas NaCl -181.42 Sodium Fluoride Solid NaF -569.0 Sodium Hydroxide Aqueous NaOH -469.15 Sodium Hydroxide Solid NaOH -425.93 Sodium nitrate Aqueous NaNO3 -446.2 Sodium nitrate Solid NaNO3 -424.8 Sulfur Hydrogen Sulfide Gas H2S -20.63 Sulfur Dioxide Gas SO2 -296.84 Sulfuric acid Liquid H2SO4 -814