【萘的恒压燃烧热与恒容燃烧热的换算】在热化学研究中,燃烧热是衡量物质在一定条件下完全燃烧时释放热量的重要参数。根据实验条件的不同,燃烧热可以分为恒压燃烧热(ΔH)和恒容燃烧热(ΔU)。对于固体或液体燃料而言,如萘(C₁₀H₈),其燃烧过程通常是在封闭容器中进行,因此更常测量的是恒容燃烧热。然而,在实际应用中,人们往往需要将恒容燃烧热转换为恒压燃烧热,以便于与其他热力学数据进行比较。
萘的燃烧反应可表示为:
$$
\text{C}_{10}\text{H}_8(s) + 12\text{O}_2(g) \rightarrow 10\text{CO}_2(g) + 4\text{H}_2\text{O}(l)
$$
该反应的恒压燃烧热(ΔH)与恒容燃烧热(ΔU)之间的关系可以通过热力学公式进行换算。由于反应过程中气体物质的量发生变化,因此两者之间存在差异。
根据热力学第一定律,恒压与恒容燃烧热的关系为:
$$
\Delta H = \Delta U + \Delta nRT
$$
其中:
- $\Delta n$ 是反应前后气体物质的量之差;
- $R$ 是理想气体常数(8.314 J/mol·K);
- $T$ 是反应温度(单位:K)。
对于上述萘的燃烧反应,反应前有12 mol O₂(气体),反应后生成10 mol CO₂(气体),而H₂O为液态,不计入气体物质的量。因此:
$$
\Delta n = 10 - 12 = -2 \, \text{mol}
$$
若实验温度为298 K,则:
$$
\Delta H = \Delta U + (-2)(8.314)(298) = \Delta U - 4957.6 \, \text{J/mol}
$$
即:
$$
\Delta H = \Delta U - 4.96 \, \text{kJ/mol}
$$
由此可见,恒压燃烧热小于恒容燃烧热,这是由于系统对外做功(体积膨胀)导致部分能量以功的形式释放。
表格:萘的恒压燃烧热与恒容燃烧热换算表
项目 | 数值 | 单位 |
反应式 | C₁₀H₈(s) + 12O₂(g) → 10CO₂(g) + 4H₂O(l) | — |
气体物质的量变化(Δn) | -2 | mol |
温度(T) | 298 | K |
理想气体常数(R) | 8.314 | J/mol·K |
ΔH 与 ΔU 的关系 | ΔH = ΔU - 4.96 kJ/mol | — |
恒压燃烧热(ΔH) | 需由恒容燃烧热计算得出 | kJ/mol |
恒容燃烧热(ΔU) | 实验测得值 | kJ/mol |
综上所述,通过了解燃烧反应中气体物质的量变化以及温度的影响,可以准确地将恒容燃烧热换算为恒压燃烧热。这一换算过程不仅有助于理论分析,也对实际工程应用具有重要意义。