M (2.9) Theo định nghĩa (2.9) thì mômen độ ng l ượ ng
d. So sánh đường đẳng nhiệt thực nghiệm và lý thuyết
11.2. Giản đồ pha và một số giản đồ pha điển hình
Nghiên cứu các quá trình chuyển pha ta thường sử dụng đồ thị mô tả áp suất phụ thuộc vào nhiệt độ trong quá trình biến đổi trạng thái của một hệ nhiệt động. Các đường cong mô tả sự phụ thuộc này gọi là giản đồ pha.
11.2.1.Giản đồ pha mô tả sự phụ thuộc nhiệt độ của áp suất hơi bão hòa
Xuất phát từ phương trình dT T V( II VI) dp L − = , ta có: ) (V Vl T L dT dp bh bh − = (11.1)
Trong đó L là nhiệt hoá hơi.
bh
V là thể tích của một đơn vị khối lượng hơi bão hoà. l
V là thể tích của một đơn vị khối lượng chất lỏng.
Giả thiết rằng nhiệt hóa hơi không phụ thuộc nhiệt độ, Vbh >>Vl. Như vậy Vl có thể bỏ qua, theo phương trình Menlêđêep – Clapayrong viết cho một đơn vị khối lượng hơi bão hoà là:
bh bh
RT p V =
µ (11.2)
Với µ là khối lượng của 1kmol.
Từ hai phương trình (11.1) và (11.2) với giả thiết Vbh >>Vl ta có:
2RT RT dT L p dp bh bh =µ (11.3) Tích phân hai vế của phương trình (11.3) ta được: L RT bh p A.e µ − = (11.4) lỏng hơi PK Pbh K
Giản đồ pha được mô tả bằng phương trình (11.4) là một đường cong có dạng như hình 11.1. Đường cong này kết thúc tại điểm ứng với trạng thái tới hạn:
p = pk và T = Tk
Tại điểm tới hạn này ta không phân biệt được sự khác nhau giữa hai pha lỏng và hơi. Đường cong trong hình 85 chia mặt phẳng [pbhT] thành hai phần: phần trên là của pha lỏng, phần dưới là của pha hơi.
Khi nhiệt độ tăng lên áp suất hơi bão hoà trên mặt chất lỏng cũng tăng.
11.2.2.Giản đồ pha đồng tồn tại 3 pha. Điểm ba
Hình 11.2 là giản đồ pha mô tả trạng thái cân bằng của một chất lỏng với hơi bão hoà của nó. Khi làm lạnh, áp suất hơi
bão hoà giảm xuống, quá trình đó ứng với đường cong (MK) gọi là đường cong bay hơi. Quá trình này kết thúc khi chất lỏng bắt đầu kết tinh. Khi kết tinh, nhiệt độ và và áp suất hơi bão hoà hoàn toàn xác định là pMvà TM.
Nếu tiếp tục làm lạnh, nhiệt độ chất rắn kết tinh giảm dần làm cho áp suất hơi bão hoà cũng giảm xuống, ta thu được đường cong thăng hoa (2).
Nếu từđiểm M nung nóng chất rắn, thì nó sẽ nóng chảy. Khi áp suất hơi bão hoà trên mặt chất rắn thay đổi, nhiệt độ nóng chảy của nó cũng sẽ thay đổi theo, ta thu được đường cong nóng chảy (3).
Đồ thị biễu diễn ba đường cong (1), (2), (3) trên mặt phẳng [pT] gọi là giản đồ pha đồng tồn tại 3 pha. Giản đồ này chia mặt phẳng [pT] làm 3 phần: phần I bao gồm trạng thái của các vật khi bay hơi, phần II vật ở trạng thái lỏng, phần III vật ở trạng thái rắn.
Điểm M là giao điểm của 3 đường cong (1), (2) và (3) gọi là điểm ba. Tại đây có sự cân bằng lần lượt giữa các pha: lỏng và khí, khí – rắn, rắn – lỏng. Vậy điểm 3 là điểm mà tại đó có sự cân bằng của 3 pha rắn, lỏng và khí. Ví dụ: điểm 3 của nước có các giá trị áp suất pa = 609,1 Pa và nhiệt độ ta = 0,0098 0C
Nếu biết giản đồ pha của một chất ta có thể suy ra các vấn đề sau:
− Ứng với các giá trị cho trước của áp suất và nhiệt độ ta có thể xác đinh được vật đang tồn tại ở trạng thái rắn, lỏng hay khí.
Hình 11.2. Giản đồđồng tồn tại 3 pha của một chất. TM T III PM P I II (1) (2) (3) P Q M K
− Muốn vật tồn tại ở một trong 3 trạng thái rắn, lỏng hoặc khí tại một nhiệt độ xác định thì áp suất tương ứng phải bằng một giá trị xác định.
− Có thể xác định được sự thay đổi trạng thái của một vật khi các thông số trạng thái thay đổi. Ví dụ: Nếu ta đun nóng đẳng áp một vật rắn nó sẽ chuyển từ trạng thái rắn sang hơi mà không cần qua trạng thái lỏng (ứng với điểm P chuyển sang điểm Q trên giản đồ 11.2).
Chú ý: Đường cong bay hơi (1) giới hạn tại điểm tới hạn K. Vậy có thể thực hiện quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang khí hay hơi mà không gặp đường cong bay hơi, nhưng không thể thực hiện quá trình chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng mà không gặp đường cong nóng chảy hoặc chuyển trạng thái từ rắn sang hơi mà không gặp đường cong thăng hoa. Bản chất vật lý của các hiện tượng này là do chất lỏng và chất khí là những chất đẳng hướng nên có thể chuyển qua nhau mà không cần thu hay toả nhiệt (ở trạng thái tới hạn). Còn chất rắn kết tinh là chất bất đẳng hướng do đó không thể chuyển trạng thái từ từ qua lỏng hay khí mà nó phải thu vào hay toả ra nhiệt lượng để thực hiện bước chuyển pha nhảy vọt.
Một số chất rắn ở trạng thái kết tinh có thể có những cấu trúc tinh thể khác nhau: cấu trúc tinh thể đa định hình. Trường hợp này dạng của giản đồ pha trở nên phức tạp và chúng có nhiều điểm ba. Ví dụ giản đồ pha của lưu huỳnh có 3 điểm pha (hình 11.3). Bởi vì lưu huỳnh có hai cấu trúc tinh thể khác nhau: một vùng có cấu trúc tinh thể đơn tà, vùng kia có cấu trúc tinh thể theo hệ trực thoi. Đường cong BC ứng với quá trình chuyển pha giữa hai trạng pha rắn có cấu trúc tinh thể khác nhau.
11.3.Chuyển pha loại I và chuyển pha loại II 11.3.1.Chuyển pha loại I