Bài giảng chương 4 cân bằng pha hệ 1 cấu tử 983738

CHƯƠNG CÂN BẰNG PHA HỆ CẤU TỬ 5.1 Khái quát cân pha hệ cấu tử  5.1 Khái quát cân pha hệ cấu tử 5.2 Phương trình Clausius - Clapeyron 5.3 Ảnh hưởng áp suất tổng đến áp suất  bão hòa 5.4 Ảnh hưởng nhiệt độ đến áp suất bão hòa  5.5 Biểu đồ trạng thái hệ cấu tử    c  k  f   1 f    f 5.1 Khái quát cân pha hệ cấu tử Nếu hệ gồm pha:c = Nghĩa là cả thông số bên ngoài đều có thể tùy ý thay đổi một giới hạn xác định mà hệ vẫn tờn tại pha 5.2 Phương trình Clausius Clapeyron 5.2.1 Ảnh hưởng áp suất đến nhiệt độ chuyển pha  Nếu hệ gồm pha nằm cân bằng:c = Nghĩa là thông số bên ngoài, thì chỉ một thông số là độc lập, thông số còn lại là thông số phụ thuộc Nói cách khác, ở mỗi áp suất, nhiệt độ chuyển pha có giá trị phụ thuộc và xác định Ngược lại, cũng có thể nói áp suất chuyển pha là hàm số của nhiệt độ chuyển pha Nếu hệ gồm pha nằm cân bằng:c = nghĩa là chỉ có thể tồn tại cân bằng của pha một điều kiện bên ngoài hoàn toàn xác định (về áp suất và nhiệt độ) Cũng có thể khẳng định, hệ một cấu tử có thể tồn tại ở nhiều dạng pha khác nhau, song số pha đồng thời nằm một trạng thái cân bằng tối đa chỉ có thể là (vì độ tự c ≥ 0) Hệ một cấu tử là hệ chỉ gồm một chất nguyên chất Cân bằng pha hệ một cấu tử là cân bằng giữa các trạng thái tập hợp của một chất Ở trạng thái khí hoặc lỏng, hầu hết các chất chỉ tồn tại chỉ có một dạng pha Song chúng có nhiều trạng thái tập hợp rắn khác gọi là các dạng đa hình hay đối với đơn chất gọi là các dạng thù hình Sự chuyển từ trạng thái tập hợp này sang trạng thái tập hợp khác gọi là sự chuyển pha của hệ một cấu tử Sự chuyển pha bao giờ cũng kèm theo sự thay đổi đột ngột những tính chất của hệ khối lượng riêng, nhiệt dung, thể tích, hiệu ứng nhiệt… Khi áp dụng quy tắc pha Gibbs cho hệ một cấu tử ta có: Đối với hệ một cấu tử thì thế đẳng áp chỉ còn phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất nên các đại lượng đặc trưng bản cho sự chuyển pha là nhiệt độ áp suất Chúng có mối liên hệ trực tiếp với quá trình chuyển pha đã được Clapeyron - Clausius thiết lập bằng biểu thức: dT T.V  dP   Trong đó: T: nhiệt độ tuyệt đối V: sự biến thiên thể tích của pha tạo thành và pha ban đầu  : nhiệt chuyển pha 5.2 Phương trình Clausius Clapeyron 5.2.1 Ảnh hưởng áp suất đến nhiệt độ chuyển pha 5.2.1 Ảnh hưởng áp suất đến nhiệt độ chuyển pha Ta có nhận xét sau:  Với quá trình sơi (hóa hơi): λhh>0 ΔV =Vh – Vl>0 nên: dT 0 dP Nghĩa là áp suất tăng thì nhiệt độ tăng Đường cong P = f(T) hướng sang phải (hình 5.1) Đây trường hợp phổ biến của nhiều nguyên chất  Với quá trình nóng chảy thì còn V có thể dương hoặc âm Ở đa số chất thì đó : dT 0 dP 5.2 Phương trình Clausius Clapeyron 5.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến áp suất bão hòa  Hình 5.1 Sự phụ thuộc nhiệt độ nóng chảy vào áp suất 5.3 Ảnh hưởng áp suất tổng cộng đến áp suất bão hòa   Pt = P + P’ Nên ta có: Vl dPl = Vh dPh Lỏng A  dGl = dGh Khi T = const: dG = V dP P2  1      P1 R  T2 T1  Từ phương trình ta có thể tính tốn gần đúng thông số nhiệt động áp suất hơi, nhiệt độ sơi hay nhiệt hóa hơi… Ghơi Hơi A + khí Ta có thể rút ra: ln Khi hệ cân bằng: Glỏng Hay dlnP   dT RT  Xét hệ sau: Phương trình Clausius - Clapeyron II mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất bão hòa: Áp śt tác đợng lên pha lỏng chính là áp suất tổng cộng nên: V dP Ta chứng minh được hệ thức sau: dP V   dPt P R.T hay ln dPt  l Vh P2 Vl Pt,2  Pt,1   P1 R.T 5.4 Ảnh hưởng nhiệt độ đến nhiệt chuyển pha   5.5 Giản đồ trạng thái hệ cấu tử Theo Clausius Clapeyron nhiệt chủn pha tùy tḥc vào  áp suất cân bằng nên  = (T, P)  Lấy vi phân biến kết hợp PT C – C I ta có: dλ λ  ln ΔV   ΔC P   λ  dT T  T  P + Đối với cân bằng L – H hay R – H, ta có: + Đới với cân bằng R – L, ta có:  dλ  ΔC P dT dλ λ  ΔC P  dT T  10 Trạng thái của hệ mợt cấu tử có thể biểu diễn bởi phương trình liên hệ giữa thông số của hệ Nhưng hệ ta thường gặp không chỉ hệ một pha khí lý tưởng mà hệ dị thể nhiều pha Nếu dùng phương trình trạng thái để biểu diễn mợt hệ thế rất phức tạp Do đó người ta thường biểu diễn trạng thái của hệ bằng giản đờ Trạng thái của hệ được hồn tồn xác định bởi ba thông số: áp suất, nhiệt độ thể tích riêng Vì thế biểu đờ khơng gian gờm ba trục thẳng góc với nhau, đó ghi tương ứng giá trị P, T V Nếu khảo sát điều kiện thông số đó của hệ khơng đởi ta có biểu đở phẳng: – Khi V = const, ta có biểu đờ đẳng tích (P - T) – Khi P = const, ta có biểu đờ đẳng áp (T - V) – Khi T = const, ta có biểu đờ đẳng nhiệt (P - V) Tùy theo yêu cầu nghiên cứu mà ta sử dụng những biểu đờ thích hợp Sau xét biểu đồ trạng thái (P - T) của vài chất để làm ví dụ 5.5 Giản đồ trạng thái hệ cấu tử 5.5 Giản đồ trạng thái hệ cấu tử 5.5.1 Biểu đồ trạng thái nước 5.5.2 Biểu đồ trạng thái củalưu huỳnh • Lưu huỳnh rắn tồn hai dạng thù hình là: dạng trực thoi (dạng rombic: R.1) dạng đơn tà (monoclinic: R.2) • Các đường nét liền giản đồ mô tả cân bền hai pha tương ứng Những đường chia giản đồ thành vùng tương ứng với dạng pha Điểm K gọi điểm tới hạn • Các đường nét đứt mơ tả cân không bền 11 12 Các điểm A, B C điểm ba bền, mô tả cân ba pha tương ứng 5.5 Giản đồ trạng thái hệ cấu tử Bài tập mẫu 5.5.1 Biểu đồ trạng thái cacbon  Đường cong AB đường cân cacbon dạng kim cương cacbon dạng grafit Về mặt nhiệt động, điều kiện bình thường grafit bền kim cương Muốn chuyển hóa grafit thành kim cương 2980K phải cần áp suất P > 2,2.104 atm Nhưng trình thực tế xảy điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao có xúc tác Ví dụ nhiệt độ 20000C, áp suất 7,1.105 atm có hỗn hợp xúc tác tantan - coban, người ta tạo kim cương từ grafit 13 Ví dụ 1: Tính áp suất cần thiết để nhiệt đợ sơi của nước 120,90C Biết nhiệt hóa của nước 538,1 cal/g  Ví dụ 2: Ở 00C nhiệt nóng chảy của nước đá 5996,63 J/mol, thể tích riêng của nước lỏng nước đá tương ứng Vl = 1,001 cm3/g, Vr = 1,089 cm3/g Hỏi áp śt atm nhiệt đợ nóng chảy của nước đá bao nhiêu?  Ví dụ 4: Xác định lượng CS2 được lấy thổi 0,005 m3 khơng khí vào CS2 ở áp śt 720 mmHg 400C Cho biết nhiệt hóa của CS2 ở nhiệt độ sôi chuẩn 46,50C 355,8 J/g 14 ... P2 Vl Pt,2  Pt ,1   P1 R.T 5 .4 Ảnh hưởng nhiệt độ đến nhiệt chuyển pha   5.5 Giản đồ trạng thái hệ cấu tử Theo Clausius Clapeyron nhiệt chủn pha tùy tḥc vào  áp suất cân bằng nên ... thái hệ cấu tử 5.5 Giản đồ trạng thái hệ cấu tử 5.5 .1 Biểu đồ trạng thái nước 5.5.2 Biểu đồ trạng thái củalưu huỳnh • Lưu huỳnh rắn tồn hai dạng thù hình là: dạng trực thoi (dạng rombic: R .1) dạng... cân bền hai pha tương ứng Những đường chia giản đồ thành vùng tương ứng với dạng pha Điểm K gọi điểm tới hạn • Các đường nét đứt mơ tả cân không bền 11 12 Các điểm A, B C điểm ba bền, mô tả cân