Bài giảng Hoá lý nhiệt động lực học: Chương 6 - Lê Sĩ Thiện

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại và yêu cầu ngày càng cao về hiệu suất năng lượng cùng sự bền vững môi trường, việc tìm kiếm và phát triển các môi chất lạnh thay thế cho những chất có hại như Freon® 22 trở nên cấp thiết. Tuy nhiên, việc dựa hoàn toàn vào các phương pháp thực nghiệm để đánh giá hàng loạt ứng viên tiềm năng là tốn kém và mất thời gian. Do đó, một cách tiếp cận khoa học, dựa trên mô hình hóa lý thuyết, là không thể thiếu. Chương này tập trung vào việc trình bày nền tảng lý thuyết cho việc mô hình hóa cân bằng pha cho đơn chất, cung cấp công cụ để dự đoán các tính chất nhiệt động quan trọng và hành vi chuyển pha của vật liệu một cách hiệu quả.

Sinh viên và kỹ sư ngành kỹ thuật hóa học, kỹ thuật cơ khí, và các chuyên ngành liên quan đến nhiệt động lực học, quá trình công nghệ và thiết kế hệ thống có liên quan đến cân bằng pha, đặc biệt trong lĩnh vực lạnh và điều hòa không khí.

Chương này đi sâu vào việc mô hình hóa cân bằng pha cho đơn chất, giải quyết thách thức thực tiễn trong việc tìm kiếm môi chất lạnh thay thế hiệu quả và thân thiện với môi trường. Nó bắt đầu bằng ví dụ về chu trình nén hơi, chỉ ra hạn chế của việc dựa vào dữ liệu thực nghiệm rộng rãi để đánh giá các tính chất nhiệt động và thiết kế hệ thống. Để khắc phục điều này, tài liệu đề xuất sử dụng phương trình trạng thái và các mô hình toán học để dự đoán các tính chất như áp suất hơi và enthalpy, từ đó giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thiết. Cốt lõi của phương pháp này nằm ở việc hiểu rõ các yếu tố quyết định sự chuyển pha tự phát. Khái niệm entropy được giới thiệu, nhưng sau đó dẫn đến việc xem xét sâu hơn về năng lượng Gibbs (G = H - TS) như một đại lượng then chốt để định lượng “sự đánh đổi” giữa ảnh hưởng của entropy và năng lượng. Tại trạng thái cân bằng pha, năng lượng mol Gibbs của các pha cùng tồn tại cho đơn chất là bằng nhau. Ngoài ra, khái niệm hóa thế (chemical potential) cũng được trình bày, cho thấy nó tương đương với năng lượng mol Gibbs đối với đơn chất trong điều kiện cân bằng. Việc nắm vững nguyên lý này là nền tảng để áp dụng các công cụ như phương trình Clapeyron, cho phép dự đoán chính xác áp suất hơi ở các nhiệt độ khác nhau, qua đó hỗ trợ đắc lực cho việc nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực nhiệt động lực học và thiết kế quy trình.