Bài giảng Chương 4: Cân bằng pha hệ 1 cấu tử

Chia sẻ: Hoàng Phúc Đẹp Trai | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

400
lượt xem 27
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mời các bạn cùng tham khảo nội dung bài giảng chương 4 "Cân bằng pha hệ 1 cấu tử" để nắm bắt được những nội dung khái quát về cân bằng pha trong hệ một cấu tử, phương trình Clausius - Clapeyron, ảnh hưởng của áp suất tổng đến áp suất hơi bão hòa, ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất hơi bão hòa,... Với các bạn đang học chuyên ngành Vật lý thì đây là tài liệu tham khảo hữu ích

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Chương 4: Cân bằng pha hệ 1 cấu tử

CHƯƠNG 5 5.1. Khái quát về cân bằng pha trong hệ một cấu tử CÂN BẰNG PHA HỆ 1 CẤU TỬ  Hệ một cấu tử là hệ chỉ gồm một chất nguyên chất. Cân bằng pha trong hệ một cấu tử là cân bằng giữa các trạng 5.1. Khái quát về cân bằng pha trong hệ một cấu tử 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 5.2. Phương trình Clausius - Clapeyron nhiều trạng thái tập hợp rắn khác nhau gọi là các dạng đa hình hay đối với đơn chất gọi là các dạng thù hình. 5.3. Ảnh hưởng của áp suất tổng đến áp suất hơi  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 bão hòa chuyển pha bao giờ cũng kèm theo sự thay đổi đột ngột 5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất hơi bão những tính chất của hệ như khối lượng riêng, nhiệt dung, thể tích, hiệu ứng nhiệt… hòa  Khi áp dụng quy tắc pha Gibbs cho hệ một cấu tử ta có: 5.5 Biểu đồ trạng thái của hệ một cấu tử 1 2 c  k  f  2  1 f  2  3  f 5.1. Khái quát về cân bằng pha 5.2. Phương trình Clausius Clapeyron trong hệ một cấu tử 5.2.1 Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ  Nếu hệ gồm 1 pha:c = 2. Nghĩa là cả 2 thông số bên ngoài chuyển pha đều có thể tùy ý thay đổi trong một giới hạn xác định mà hệ vẫn tồn tại 1 pha.  Đối với hệ một cấu tử thì thế đẳng áp chỉ còn phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất nên các đại lượng đặc trưng cơ  Nếu hệ gồm 2 pha nằm cân bằng:c = 1. Nghĩa là trong 2 bản cho sự chuyển pha là nhiệt độ và áp suất. Chúng có thông số bên ngoài, thì chỉ một thông số là độc lập, thông số mối liên hệ trực tiếp với nhau trong quá trình chuyển pha còn lại là thông số phụ thuộc. Nói cách khác, ở mỗi áp suất, đã được Clapeyron - Clausius thiết lập bằng biểu thức: nhiệt độ chuyển pha có giá trị phụ thuộc và xác định. Ngược dT T.V lại, cũng có thể nói áp suất chuyển pha là hàm số của nhiệt độ  chuyển pha. dP   Nếu hệ gồm 3 pha nằm cân bằng:c = 0. nghĩa là chỉ có thể  Trong đó: tồn tại cân bằng của 3 pha trong một điều kiện bên ngoài hoàn T: nhiệt độ tuyệt đối. toàn xác định (về áp suất và nhiệt độ). Cũng có thể khẳng V: sự biến thiên thể tích của pha tạo thành và định, tuy hệ một cấu tử có thể tồn tại ở nhiều dạng pha khác pha ban đầu. nhau, song số pha đồng thời nằm trong một trạng thái cân  : nhiệt chuyển pha. 3 bằng tối đa chỉ có thể là 3 (vì độ tự do c ≥ 0). 4 1
5.2. Phương trình Clausius Clapeyron 5.2.1 Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ 5.2.1 Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ chuyển pha chuyển pha Ta có nhận xét sau:  Với quá trình sôi (hóa hơi): dT λhh>0 và ΔV =Vh – Vl>0 nên: 0 dP Nghĩa là khi áp suất tăng thì nhiệt độ tăng. Đường cong P = f(T) hướng sang phải (hình 5.1). Đây là 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 do đó : dT 0 Hình 5.1. Sự phụ thuộc của nhiệt độ nóng chảy vào dP 5 6 áp suất 5.2. Phương trình Clausius Clapeyron 5.3. Ảnh hưởng của áp suất tổng 5.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến áp suất hơi cộng đến áp suất hơi bão hòa bão hòa  Xét hệ sau: Khi hệ cân bằng: Glỏng Ghơi  Phương trình Clausius - Clapeyron II mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất hơi bão hòa: Hay dGl = dGh dlnP  Hơi A + khí Khi T = const: dG = V. dP  dT RT 2 Pt = P + P’ Nên ta có: Vl . dPl = Vh . dPh  Ta có thể rút ra: Lỏng A Áp suất tác động lên pha lỏng chính là áp P2  1 1 suất tổng cộng nên: ln      dP V R  T2 T1   l P1 dPt Vh  Ta chứng minh được hệ thức sau: P2 Vl Pt,2  Pt,1   Từ phương trình này ta có thể tính toán gần đúng các thông số nhiệt động như áp suất hơi, nhiệt độ sôi hay dP V  1  dPt hay ln  nhiệt hóa hơi… P R.T P1 R.T 7 8 2
5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến nhiệt chuyển pha 5.5. Giản đồ trạng thái của hệ một cấu tử  Theo Clausius Clapeyron thì nhiệt chuyển pha tùy thuộc vào  Trạng thái của hệ một cấu tử có thể biểu diễn bởi phương trình liên hệ giữa các thông số của hệ. áp suất cân bằng nên  = (T, P)  Nhưng các hệ ta thường gặp không chỉ là hệ một pha khí lý tưởng mà là hệ dị thể nhiều pha. Nếu dùng phương trình trạng  Lấy vi phân từng biến và kết hợp PT C – C I ta có: thái để biểu diễn một hệ như thế thì rất phức tạp. Do đó người ta thường biểu diễn trạng thái của hệ bằng các giản đồ. dλ λ  ln ΔV   Trạng thái của hệ được hoàn toàn xác định bởi ba thông số: áp  ΔC P   λ  suất, nhiệt độ và thể tích riêng. Vì thế biểu đồ không gian gồm dT T  T  P ba trục thẳng góc với nhau, trên đó ghi tương ứng các giá trị P, T và V. Nếu khảo sát trong điều kiện 1 thông số nào đó của hệ dλ không đổi thì ta có các biểu đổ phẳng: + Đối với cân bằng L – H hay R – H, ta có:  ΔC P – Khi V = const, ta có biểu đồ đẳng tích (P - T). dT – Khi P = const, ta có biểu đồ đẳng áp (T - V). dλ λ – Khi T = const, ta có biểu đồ đẳng nhiệt (P - V). + Đối với cân bằng R – L, ta có:  ΔC P   Tùy theo yêu cầu nghiên cứu mà ta sử dụng những biểu đồ dT T thích hợp. Sau đây chúng ta xét biểu đồ trạng thái (P - T) của vài chất để làm ví dụ. 9 10 5.5. Giản đồ trạng thái của hệ một cấu tử 5.5. Giản đồ trạng thái của hệ một cấu tử 5.5.1 Biểu đồ trạng thái của nước 5.5.2 Biểu đồ trạng thái củalưu huỳnh • Lưu huỳnh rắn tồn tại dưới hai dạng thù hình là: dạng trực thoi (dạng rombic: R.1) và dạng đơn tà (monoclinic: R.2). • Các đường nét liền trên giản đồ mô tả cân bằng bền giữa hai pha tương ứng. Những đường này chia giản đồ thành 4 vùng tương ứng với 4 dạng pha. Điểm K gọi là điểm tới hạn. • Các đường nét đứt mô tả các cân bằng không bền. Các điểm A, B và C là các điểm ba bền, mô tả các cân bằng ba pha tương ứng. 11 12 3
5.5. Giản đồ trạng thái của hệ một cấu tử Bài tập mẫu 5.5.1 Biểu đồ trạng thái của cacbon  Ví dụ 1: Tính áp suất cần thiết để nhiệt độ sôi của nước là Đường cong AB là đường cân bằng 120,90C. Biết nhiệt hóa hơi của nước 538,1 cal/g. cacbon dạng kim cương và cacbon dạng grafit. Về mặt nhiệt động, ở điều kiện bình  Ví dụ 2: Ở 00C nhiệt nóng chảy của nước đá là 5996,63 J/mol, thường grafit bền hơn kim cương. Muốn thể tích riêng của nước lỏng và nước đá tương ứng là Vl = chuyển hóa grafit thành kim cương ở 2980K thì phải cần áp suất P > 2,2.104 atm. 1,001 cm3/g, Vr = 1,089 cm3/g. Hỏi khi áp suất 3 atm thì nhiệt độ Nhưng trong quá trình thực tế chỉ xảy ra nóng chảy của nước đá là bao nhiêu? ở điều kiện nhiệt độ cao, áp suất rất cao và có xúc tác. Ví dụ ở nhiệt độ 20000C, áp  Ví dụ 4: Xác định lượng CS2 được lấy ra khi thổi 0,005 m3 suất trên 7,1.105 atm và có hỗn hợp xúc tác tantan - coban, người ta có thể tạo được không khí vào CS2 ở áp suất 720 mmHg và 400C. Cho biết nhiệt kim cương từ grafit. hóa hơi của CS2 ở nhiệt độ sôi chuẩn 46,50C là 355,8 J/g. 13 14 4