Termodynamiczne bazy danych dla substancji czystych
Termodynamika |
---|
Termodynamiczne bazy danych zawierają informacje o właściwościach termodynamicznych substancji, z których najważniejsze to entalpia , entropia i energia swobodna Gibbsa . Wartości liczbowe tych właściwości termodynamicznych są gromadzone w postaci tabel lub obliczane z plików danych termodynamicznych. Dane wyrażono jako wartości zależne od temperatury dla jednego mola substancji przy standardowym ciśnieniu 101,325 kPa (1 atm) lub 100 kPa (1 bar). Niestety, obie te definicje warunków standardowych dla ciśnienia są w użyciu.
Dane termodynamiczne
Dane termodynamiczne są zwykle przedstawiane w postaci tabeli lub wykresu wartości funkcji dla jednego mola substancji (lub w przypadku tabel pary wodnej jednego kg). Plik danych termodynamicznych to zestaw parametrów równania, z którego można obliczyć wartości liczbowe. Tabele i pliki danych są zwykle prezentowane przy standardowym ciśnieniu 1 bar lub 1 atm, ale w przypadku pary i innych ważnych dla przemysłu gazów ciśnienie może być uwzględnione jako zmienna. Wartości funkcji zależą od stanu agregacji substancji, które muszą być zdefiniowane, aby wartość miała jakiekolwiek znaczenie. Stan skupienia dla celów termodynamicznych jest stanem standardowym , czasami nazywanym stanem odniesienia i definiowanym przez określenie pewnych warunków. Normalny stan standardowy jest powszechnie definiowany jako najbardziej stabilna postać fizyczna substancji w określonej temperaturze i ciśnieniu 1 bar lub 1 atm . Jednakże, ponieważ każdy nienormalny stan może być wybrany jako stan standardowy, musi być zdefiniowany w kontekście użytkowania. Fizyczny _ stan standardowy to taki, który istnieje przez czas wystarczający do pomiaru jego właściwości. Najbardziej powszechnym fizycznym stanem standardowym jest stan stabilny termodynamicznie (tzn. stan normalny). Nie ma tendencji do przekształcania się w żaden inny stan fizyczny. Jeśli substancja może istnieć, ale nie jest stabilna termodynamicznie (na przykład przechłodzona ciecz), nazywa się to stanem metastabilnym . Niefizyczny _ _ _ stan standardowy to taki, którego właściwości uzyskuje się przez ekstrapolację ze stanu fizycznego (na przykład ciało stałe przegrzane powyżej normalnej temperatury topnienia lub gaz doskonały w stanie, w którym gaz rzeczywisty nie jest stanem idealnym). Metastabilne ciecze i ciała stałe są ważne, ponieważ niektóre substancje mogą przetrwać i być używane w tym stanie przez czas nieokreślony. Funkcje termodynamiczne odnoszące się do warunków w normalnym stanie standardowym są oznaczone małym indeksem górnym °. Związek między pewnymi właściwościami fizycznymi i termodynamicznymi można opisać równaniem stanu .
Entalpia, zawartość ciepła i pojemność cieplna
Bardzo trudno jest zmierzyć wartość bezwzględną dowolnej wielkości termodynamicznej obejmującej energię wewnętrzną (np. entalpię ), ponieważ energia wewnętrzna substancji może przybierać różne formy, z których każda ma swoją własną typową temperaturę, w której zaczyna nabierać znaczenia w reakcje termodynamiczne. Dlatego najbardziej interesująca jest zmiana tych funkcji. Izobaryczna zmiana entalpii H powyżej wspólnej temperatury odniesienia 298,15 K (25 ° C) nazywana jest wysokotemperaturową zawartością ciepła , ciepłem jawnym lub względna entalpia wysokotemperaturowa , nazywana odtąd zawartością ciepła . Różne bazy danych określają ten termin na różne sposoby; na przykład H T - H 298 , H ° - H ° 298 , H ° T - H ° 298 lub H ° - H ° (T r ), gdzie T r oznacza temperaturę odniesienia (zwykle 298,15 K, ale w symbolach zawartości ciepła oznaczana skrótem jako 298). Wszystkie te terminy oznaczają molową zawartość ciepła dla substancji w jej normalnym stanie standardowym powyżej temperatury odniesienia 298,15 K. Dane dotyczące gazów dotyczą hipotetycznego gazu doskonałego przy wyznaczonym ciśnieniu normalnym. Jednostką w układzie SI jest J/mol i jest to liczba dodatnia powyżej temperatury odniesienia. Zawartość ciepła została zmierzona i zestawiona w tabeli dla praktycznie wszystkich znanych substancji i jest powszechnie wyrażana jako wielomian funkcja temperatury. Zawartość ciepła gazu doskonałego jest niezależna od ciśnienia (lub objętości), ale zawartość ciepła gazów rzeczywistych zmienia się wraz z ciśnieniem, stąd potrzeba zdefiniowania stanu gazu (rzeczywistego lub idealnego) i ciśnienia. Należy zauważyć, że w przypadku niektórych termodynamicznych baz danych, takich jak para, temperatura odniesienia wynosi 273,15 K (0 ° C).
Pojemność cieplna C to stosunek ciepła dodanego do wzrostu temperatury. Dla przyrostowego izobarycznego dodawania ciepła:
C p jest zatem nachyleniem wykresu temperatury w funkcji izobarycznej zawartości ciepła (lub pochodną równania temperatura/zawartość ciepła). Jednostki SI dla pojemności cieplnej to J/(mol·K).
Zmiana entalpii przejść fazowych
Gdy ciepło jest dostarczane do substancji w fazie skondensowanej , jej temperatura wzrasta, aż do osiągnięcia temperatury przemiany fazowej. Przy dalszym dodawaniu ciepła temperatura pozostaje stała podczas przemiany fazowej . Ilość substancji, która ulega przemianie, jest funkcją ilości dodanego ciepła. Po zakończeniu przejścia dodanie większej ilości ciepła zwiększa temperaturę. Innymi słowy, entalpia substancji zmienia się izotermicznie , gdy przechodzi ona przemianę fizyczną. Zmiana entalpii wynikająca z przemiany fazowej jest oznaczona jako Δ H . Istnieją cztery rodzaje zmian entalpii wynikających z przejścia fazowego. mianowicie:
- Entalpia transformacji . Dotyczy to przemian z jednej stałej do drugiej, takich jak przemiana z α-Fe (ferryt bcc) do (austenit fcc). Transformacja jest oznaczona jako Δ H tr .
- Entalpia topnienia lub topnienia . Dotyczy to przejścia ciała stałego w ciecz i jest oznaczone Δ H m .
- Entalpia parowania . Odnosi się to do przejścia cieczy w parę i jest oznaczone jako Δ H v .
- Entalpia sublimacji . Odnosi się to do przejścia ciała stałego w parę i jest oznaczone jako Δ H s .
C p jest nieskończone w temperaturach przejścia fazowego, ponieważ entalpia zmienia się izotermicznie. W temperaturze Curie C p wykazuje ostrą nieciągłość , podczas gdy entalpia ma zmianę nachylenia.
Wartości Δ H są zwykle podawane dla przejścia w normalnej temperaturze stanu standardowego dla dwóch stanów, a jeśli tak, oznacza się je indeksem górnym °. Δ H dla przejścia fazowego jest słabą funkcją temperatury. W niektórych tekstach ciepło przemian fazowych nazywane jest ciepłem utajonym (na przykład utajone ciepło topnienia ).
Zmiana entalpii dla reakcji chemicznej
reakcji chemicznej następuje zmiana entalpii . Dla szczególnego przypadku tworzenia związku z pierwiastków , zmiana jest oznaczona jako forma Δ H i jest słabą funkcją temperatury. Wartości postaci Δ H są zwykle podawane, gdy pierwiastki i związek znajdują się w swoich normalnych stanach standardowych i jako takie są oznaczane jako standardowe ciepła tworzenia, oznaczone indeksem górnym °. Formularz Δ H ° ulega nieciągłościom w temperaturach przejścia fazowego pierwiastków składowych i związku. Zmiana entalpii dla dowolnej standardowej reakcji jest oznaczona jako Δ H ° rx .
Entropia i energia Gibbsa
Entropia układu to kolejna wielkość termodynamiczna, której niełatwo zmierzyć . Jednak stosując kombinację technik teoretycznych i eksperymentalnych, entropię można w rzeczywistości dokładnie oszacować. W niskich temperaturach model Debye'a prowadzi do wniosku, że atomowa pojemność cieplna Cv dla ciał stałych powinna być proporcjonalna do T 3 , a dla doskonale krystalicznych ciał stałych powinna wynosić zero w punkcie zera bezwzględnego . Eksperymentalnie pojemność cieplna jest mierzona w przedziałach temperaturowych do możliwie najniższej temperatury. wartości 0 C p /T są wykreślane w funkcji T dla całego zakresu temperatur, w których substancja występuje w tym samym stanie fizycznym. Dane są ekstrapolowane od najniższej temperatury eksperymentalnej do 0 K przy użyciu modelu Debye'a. Trzecia zasada termodynamiki mówi, że entropia substancji doskonale krystalicznej wynosi zero w temperaturze 0 K. Kiedy S wynosi zero, pole pod krzywą od 0 K do dowolnej temperatury daje entropię w tej temperaturze. Mimo że model Debye'a zawiera C v zamiast C p , różnica między nimi w temperaturach bliskich 0 K jest tak mała, że można ją pominąć.
Bezwzględna wartość entropii dla substancji w stanie normalnym w temperaturze odniesienia 298,15 K jest oznaczona jako S ° 298 . Entropia wzrasta wraz z temperaturą i jest nieciągła w temperaturach przejścia fazowego. Zmiana entropii (Δ S °) w normalnej temperaturze przemiany fazowej jest równa cieple przemiany podzielonemu przez temperaturę przemiany. Jednostkami entropii w układzie SI są J/(mol·K).
Standardowa zmiana entropii dla tworzenia związku z pierwiastków lub dla dowolnej standardowej reakcji jest oznaczona jako forma Δ S ° lub Δ S ° rx . Zmianę entropii uzyskuje się przez zsumowanie bezwzględnych entropii produktów minus suma bezwzględnych entropii reagentów. Podobnie jak entalpia, energia Gibbsa G nie ma wartości wewnętrznej, więc interesująca jest zmiana G. Poza tym nie ma zmian w G w przejściach fazowych między substancjami w ich stanach standardowych. Stąd głównym funkcjonalnym zastosowaniem energii Gibbsa z termodynamicznej bazy danych jest zmiana jej wartości podczas tworzenia związku z elementów w stanie standardowym lub w dowolnej standardowej reakcji chemicznej (forma Δ G ° lub Δ G ° rx ) . Jednostki SI energii Gibbsa są takie same jak dla entalpii (J/mol).
Dodatkowe funkcje
Kompilatory termochemicznych baz danych mogą zawierać dodatkowe funkcje termodynamiczne. Na przykład entalpię bezwzględną substancji H ( T ) definiuje się w kategoriach entalpii jej tworzenia i zawartości ciepła w następujący sposób:
Dla pierwiastka H ( T ) i [ H T - H 298 ] są identyczne we wszystkich temperaturach, ponieważ forma Δ H ° wynosi zero i oczywiście przy 298,15 K, H ( T ) = 0. Dla związku:
Podobnie absolutna energia Gibbsa G ( T ) jest definiowana przez bezwzględną entalpię i entropię substancji:
Dla związku:
Niektóre tabele mogą również zawierać funkcję energii Gibbsa ( H ° 298,15 - G ° T ) / T , która jest zdefiniowana za pomocą entropii i zawartości ciepła.
Funkcja energii Gibbsa ma te same jednostki co entropia, ale w przeciwieństwie do entropii nie wykazuje nieciągłości w normalnych temperaturach przejścia fazowego.
Często podaje się log 10 stałej równowagi K eq , która jest obliczana na podstawie definiującego równania termodynamicznego.
Bazy danych termodynamicznych
Termodynamiczna baza danych składa się z zestawów krytycznie ocenionych wartości głównych funkcji termodynamicznych. Pierwotnie dane przedstawiano w postaci drukowanych tabel przy ciśnieniu 1 atm iw określonych temperaturach, zwykle w odstępach 100° iw temperaturach przejścia fazowego. Niektóre kompilacje zawierały równania wielomianowe, których można było użyć do odtworzenia wartości tabelarycznych. Ostatnio stosuje się skomputeryzowane bazy danych, które składają się z parametrów równań i podprogramów do obliczania określonych wartości w dowolnej temperaturze i przygotowywania tabel do druku. Skomputeryzowane bazy danych często zawierają podprogramy do obliczania właściwości reakcji i wyświetlania danych w postaci wykresów.
Dane termodynamiczne pochodzą z wielu typów eksperymentów, takich jak kalorymetria , równowaga faz , spektroskopia , pomiary składu mieszanin w równowadze chemicznej oraz pomiary emf reakcji odwracalnych. Właściwa baza danych zawiera wszystkie dostępne informacje o pierwiastkach i związkach w bazie danych i zapewnia, że prezentowane wyniki są wewnętrznie spójne . Wewnętrzna spójność wymaga, aby wszystkie wartości funkcji termodynamicznych zostały poprawnie obliczone poprzez zastosowanie odpowiednich równań termodynamicznych. Na przykład wartości energii Gibbsa otrzymane z wysokotemperaturowych równowagowych metod emf muszą być identyczne z wartościami obliczonymi z kalorymetrycznych pomiarów wartości entalpii i entropii. Dostawca bazy danych musi stosować uznane procedury analizy danych w celu ustalenia różnic między danymi uzyskanymi w różnych typach eksperymentów.
Wszystkie dane termodynamiczne są nieliniową funkcją temperatury (i ciśnienia), ale nie ma uniwersalnego formatu równania do wyrażania różnych funkcji. Tutaj opisujemy powszechnie stosowane równanie wielomianowe do wyrażania zależności zawartości ciepła od temperatury. Typowe sześcioczłonowe równanie izobarycznej zawartości ciepła to:
Niezależnie od formatu równania, ciepło tworzenia związku w dowolnej temperaturze wynosi Δ H ° przy 298,15 K plus suma parametrów zawartości ciepła produktów minus suma parametrów zawartości ciepła reagentów. Równanie C p uzyskuje się, biorąc pochodną równania zawartości ciepła.
Równanie entropii uzyskuje się przez całkowanie równania C p /T:
' jest stałą całkowania uzyskaną przez wstawienie S ° w dowolnej temperaturze T. Energię Gibbsa tworzenia związku otrzymuje się z równania definiującego Δ G ° forma = Δ H ° forma – T (Δ S ° forma ) i wyraża się jako
W przypadku większości substancji postać Δ G ° tylko nieznacznie odbiega od liniowości z temperaturą, więc w krótkim przedziale temperatur równanie siedmioczłonowe można zastąpić równaniem trójczłonowym, którego wartości parametrów uzyskuje się przez regresję wartości tabelarycznych.
W zależności od dokładności danych i długości zakresu temperatur, równanie zawartości ciepła może wymagać większej lub mniejszej liczby wyrazów. W bardzo długim przedziale temperatur zamiast jednego można zastosować dwa równania. Nierozsądne jest ekstrapolowanie równań w celu uzyskania wartości poza zakresem danych eksperymentalnych użytych do wyprowadzenia parametrów równania.
Pliki danych termodynamicznych
Parametry równania i wszystkie inne informacje wymagane do obliczenia wartości ważnych funkcji termodynamicznych są przechowywane w pliku danych termodynamicznych. Wartości są uporządkowane w formacie umożliwiającym odczytanie ich przez program do obliczeń termodynamicznych lub użycie w arkuszu kalkulacyjnym. Na przykład termodynamiczna baza danych FREED [1] oparta na programie Excel tworzy następujący typ pliku danych, tutaj dla standardowego ciśnienia 1 atm.
- Rząd 1. Masa cząsteczkowa gatunku, gęstość w 298,15 K, Δ H ° tworzy 298,15 , S ° 298,15 . oraz górną granicę temperatury dla pliku.
- Wiersz 2. Liczba wymaganych równań C p . Tutaj trzy z powodu trzech faz gatunkowych.
- Wiersz 3. Wartości pięciu parametrów dla pierwszego równania Cp ; temperatura graniczna dla równania.
- Wiersz 4. Wartości pięciu parametrów dla drugiego równania Cp ; temperatura graniczna dla równania.
- Wiersz 5. Wartości pięciu parametrów dla trzeciego równania Cp ; temperatura graniczna dla równania.
- Wiersz 6. Liczba wymaganych równań H T - H 298 .
- Wiersz 7. Wartości sześciu parametrów dla pierwszego równania H T - H 298 ; granica temperatury dla równania i Δ H ° trans dla pierwszej zmiany fazy.
- Wiersz 8. Wartości sześciu parametrów dla drugiego równania H T - H 298 ; granica temperatury dla równania i Δ H ° trans dla drugiej zmiany fazy.
- Wiersz 9. Wartości sześciu parametrów dla trzeciego równania H T - H 298 ; granica temperatury dla równania i Δ H ° trans dla trzeciej zmiany fazy.
- Wiersz 10. Liczba wymaganych równań postaci Δ H ° . Tutaj pięć; trzy dla faz gatunkowych i dwa, ponieważ jeden z pierwiastków ma przemianę fazową.
- Wiersz 11. Wartości sześciu parametrów dla pierwszego równania postaci Δ H ° ; temperatura graniczna dla równania.
- Wiersz 12. Wartości sześciu parametrów dla drugiego równania postaci Δ H ° ; granica temperatury dla równania.
- Wiersz 13. Wartości sześciu parametrów trzeciego równania postaci Δ H ° ; granica temperatury dla równania.
- Wiersz 14. Wartości sześciu parametrów czwartego równania postaci Δ H ° ; granica temperatury dla równania.
- Wiersz 15. Wartości sześciu parametrów dla piątego równania postaci Δ H ° ; granica temperatury dla równania.
- Wiersz 16. Liczba wymaganych równań postaci Δ G ° .
- Wiersz 17. Wartości siedmiu parametrów dla pierwszego równania postaci Δ G ° ; granica temperatury dla równania.
- Wiersz 18. Wartości siedmiu parametrów drugiego równania postaci Δ G ° ; granica temperatury dla równania.
- Wiersz 19. Wartości siedmiu parametrów trzeciego równania postaci Δ G ° ; granica temperatury dla równania.
- Wiersz 20. Wartości siedmiu parametrów dla czwartej postaci równania Δ G ° ; temperatura graniczna dla równania.
- Wiersz 21. Wartości siedmiu parametrów dla piątego równania postaci Δ G ° ; temperatura graniczna dla równania.
Większość skomputeryzowanych baz danych utworzy tabelę wartości termodynamicznych przy użyciu wartości z pliku danych. Dla MgCl 2 (c,l,g) przy ciśnieniu 1 atm:
Format tabeli jest powszechnym sposobem wyświetlania danych termodynamicznych. Tabela FREED zawiera dodatkowe informacje w górnych wierszach, takie jak skład masowy i ilościowy oraz temperatury przejścia pierwiastków składowych. Temperatury przejścia dla pierwiastków składowych mają kreski ------- w pierwszej kolumnie pustego rzędu, na przykład przy 922 K, temperaturze topnienia Mg. Temperatury przejścia dla substancji mają dwa puste wiersze z kreskami i środkowy rząd ze zdefiniowanym przejściem i zmianą entalpii, np. temperatura topnienia MgCl 2 w temperaturze 980 K. Równania pliku danych znajdują się na dole tabeli, a cała tabela znajduje się w arkuszu programu Excel. Jest to szczególnie przydatne, gdy dane są przeznaczone do wykonania konkretnych obliczeń.
Zobacz też
- Termodynamika chemiczna
- Chemia fizyczna
- Inżynieria materiałowa
- Prawa termodynamiki
- Termochemia
- Standardowa temperatura i ciśnienie
- Dortmundzki bank danych
- CIELEC (metoda)
- Barin, Ihsan (2004). Dane termochemiczne czystych substancji . Wiley-VCH. ISBN 3-527-30993-4 .
- Chase, MW (1998). NIST - Tabele termochemiczne JANAF (wyd. Czwarte). Dziennik fizycznych i chemicznych danych referencyjnych . ISBN 1-56396-831-2 .
- Cox, JD; Wagman, Donald D.; Miedwiediew, Wadim A. (1989). CODATA Kluczowe wartości dla termodynamiki . John Benjamins Publishing Co. ISBN 0-89116-758-7 .
- Hummel, Wolfgang; Ursa Bernera; Enzo Curtiego; FJ Pearsona; Tres Thoenen (2002). Baza danych termodynamiki chemicznej Nagra / Psi . Wydawcy uniwersalni. ISBN 1-58112-620-4 .
- Lide, David R.; Henry V. Kehiaian (1994). CRC Handbook of Thermophysical and Thermochemical Data (wyd. Książka i dysk). Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-0197-1 .
- Pankratz, LB (1982). „Właściwości termodynamiczne pierwiastków i tlenków”. Biuletyn US Bureau of Mines . 672 .
- Pankratz, LB (1984). „Właściwości termodynamiczne halogenków”. Biuletyn US Bureau of Mines . 674 .
- Pankratz, LB; AD Mah; SW Watsona (1987). „Właściwości termodynamiczne siarczków”. Biuletyn US Bureau of Mines . 689 .
- Pankratz, LB (1994). „Właściwości termodynamiczne węglików, azotków i innych wybranych substancji”. Biuletyn US Bureau of Mines . 696 .
- Robie, Richard A. i Bruce S. Hemingway (1995). Właściwości termodynamiczne minerałów . . . w wyższych temperaturach , biuletyn amerykańskiej służby geologicznej 2131.
- Yaws, Carl L. (2007). Yaws Handbook of Thermodynamic Properties for Hydrocarbons & Chemicals , Gulf Publishing Company. ISBN 1-933762-07-1 .
- Gurvich, LV, Veitz, IV i in. (1989) Właściwości termodynamiczne poszczególnych substancji. Wydanie czwarte, Hemisphere Pub Co. NY, L., Vol.1 w 2 częściach.
Linki zewnętrzne
- NIST WebBook Brama do gromadzenia danych Narodowego Instytutu Standardów i Technologii.
- NASA Glenn ThermoBuild Interfejs sieciowy do generowania tabelarycznych danych termodynamicznych.
- Termodynamiczna baza danych Burcata Baza danych zawierająca ponad 3000 związków chemicznych.
- DIPPR Instytut Projektowania Właściwości Fizycznych
- DIPPR 801 Krytycznie oceniona baza danych właściwości termofizycznych, przydatna do projektowania procesów chemicznych i obliczeń równowagi.
- Oprogramowanie i bazy danych MTDATA do obliczania właściwości termodynamicznych i równowag fazowych
- Darmowy internetowy kalkulator tabel Steam oparty na IAPWS-IF97
- Programy FACT-Web Różne narzędzia on-line do pozyskiwania danych termodynamicznych i wykonywania obliczeń równowagi.
- Mol-Instincts Chemiczna baza danych oparta na mechanice kwantowej i QSPR, zapewniająca właściwości termodynamiczne dla milionów związków.