LÝ THUYẾT CÂN BẰNG PHA - CÂN BẰNG PHA TRONG HỆ 1 CẤU TỬ

ChChööôngông IVIV

LYLYÙÙ THUYE

NG PHA T CAÂN BAÈÈNG PHA

THUYEÁÁT CAÂN BA NG PHA TRONG HEÄÄ 1 CA1 CAÁÁU TU TÖÛÖÛ

CAÂN BAÈÈNG PHA TRONG HE CAÂN BA

chung IV.1 CaCaùùcc khakhaùùii nienieäämm chung IV.1

IV.2 CaânCaân babaèèngng phapha trong IV.2 trong heheää 1 1 cacaááuu ttöûöû

IV.3 CaCaùùcc giagiaûûnn ññooàà heheää 1 1 cacaááuu ttöûöû : : nnööôôùùcc, , llööuu huyhuyøønhnh IV.3

IV.1. CAÙÙC KHA IV.1. CA

C KHAÙÙI NIE

M CHUNG I NIEÄÄM CHUNG

V.1.1. CaCaùùcc khakhaùùii nienieäämm:: phapha, , hôhôïïpp phaphaàànn, , cacaááuu ttöûöû, , babaääcc ttöïöï dodo V.1.1.

(cid:190)(cid:190) PhaPha lalaøø toatoaøønn boboää phaphaàànn ññooààngng thetheåå cucuûûaa heheää nanaèèmm ôôûû tratraïïngng

Pha - soá pha f Pha - soá pha f

thathaùùii CB CB cocoùù cacaùùcc thoâng thoâng sosoáá nhienhieäätt ññooäängng nhnhöö nhaunhau. .

trong heheää ñöñöôôïïcc phaân phaân chiachia bôbôûûii cacaùùcc bebeàà mamaëëtt

(cid:190)(cid:190) CaCaùùcc phapha trong phaân chiachia phapha. . phaân

Heä ñoàng theå Heä ñoàng theå Heä dò theå Heä dò theå

- Chæ goàm 1 pha - Khoâng coù beà maët phaân chia pha -Coù nhieàu hôn 1 pha - Coù beà maët phaân chia pha

(cid:190)(cid:190) LaLaøø cacaùùcc chachaáátt hôhôïïpp thathaøønhnh heheää

Hôïp phaàn Hôïp phaàn

(cid:190)(cid:190) MoãiMoãi hôhôïïpp phaphaàànn ññeeààuu cocoùù thetheåå rieâng vavaøø totoàànn tataïïii ññooääcc

tataùùchch rieâng lalaääpp ngoangoaøøii heheää

Soá caáu töû k Soá caáu töû k Soá hôïp phaàn r Soá hôïp phaàn r

SoSoáá totoááii thie thieååuu cacaùùcc

ToToåångng sosoáá cacaùùcc hôhôïïpp phaphaàànn trong trong heheää hôhôïïpp phaphaàànn ññuuûû ññeeåå tataïïoo rara heheää

k = r –– q q k = r

qq SoSoáá cacaùùcc phphööôngông trtrììnhnh ññooääcc lalaääpp lieânlieân heheää nonoààngng ññooää cacaùùcc hôhôïïpp phaphaàànn ôôûû caâncaân babaèèngng

VVíí duduïï:: 2SO2SO3 3 (k) = 2 SO (k) = 2 SO22 (k) + O (k) + O2 2 (k)(k)

2

C

C .

O

SO

2

2

K

const

=

=

c

2

r = 3 r = 3

SO

3

q = 1 : q = 1 :

C (cid:206) k = r – q = 3 – 1 = 2 (cid:206) k = r – q = 3 – 1 = 2

TTíínhnh sosoáá cacaááuu ttöûöû cucuûûaa heheää khikhi caâncaân babaèèngng: :

O

SO

2

r = 3 r = 3

2

K

const

=

=

c

2

NeNeááuu ban ban ññaaààuu chchææ

SO 3

cocoùù khkhíí SOSO33: :

2 C C . q = 2 : q = 2 : C CSO2= 2CO2 CSO2= 2CO2

(cid:206) k = r – q = 3 – 2 = 1 (cid:206) k = r – q = 3 – 2 = 1

(cid:190)(cid:190) LaLaøø sosoáá totoááii thiethieååuu nhnhööõngõng thoâng

Baäc töï do C Baäc töï do C

thoâng sosoáá cacaàànn thiethieáátt ññeeåå xaxaùùcc ññònhònh tratraïïngng thathaùùii caâncaân babaèèngng cucuûûaa heheää. .

(cid:190)(cid:190) Thoâng

C = C = ∑∑((thoâng thoâng sosoáá tratraïïngng thathaùùii) ) –– ∑∑((phphööôngông trtrììnhnh lieânlieân heheää) )

CoCoùù 2 2 loaloaïïii thoâng thoâng sosoáá

(cid:190)(cid:190) Thoâng

hay xii Thoâng sosoáá thathaøønhnh phaphaàànn: : CCii hay x T, P, V …… Thoâng sosoáá beânbeân ngoangoaøøii: : T, P, V

: T, V, P, n thoâng sosoáá tratraïïngng thathaùùii: T, V, P, n (cid:206)(cid:206) C = 4 1 = 3 C = 4 –– 1 = 3

VVíí duduïï:: ÑÑooááii vôvôùùii 1 1 chachaáátt khkhíí lalaøø khkhíí lylyùù ttööôôûûngng: : -- 4 4 thoâng -- 1 1 phphööôngông trtrììnhnh lieânlieân heheää: PV = : PV = nRTnRT

IV.1.2. ÑÑIEIEÀÀU KIE U KIEÄÄN CAÂN BA NG PHA VAØØ N CAÂN BAÈÈNG PHA VA IV.1.2. C PHA GIBBS QUY TAÉÉC PHA GIBBS QUY TA

Quy luaät chung: Caùc quaù trình nhieät ñoäng noùi chung

vaø caùc quaù trình dò theå noùi rieâng seõ xaûy ra theo höôùng san ñeàu caùc thoâng soá cöôøng ñoä. Xeùt moät heä dò theå goàm: k caáu töû, phaân boá trong f pha. Khi heä ñaït caân baèng thì seõ thoûa 3 ÑIEÀU KIEÄN CAÂN BAÈNG PHA

Caân baèng nhieät ñoä: Caân baèng nhieät ñoä: TTαα = T= Tββ = T= Tγγ = = …… = = TTff

PPαα = P= Pββ = P= Pγγ = = …… = P= Pf f Caân baèng cô hoïc: Caân baèng cô hoïc:

αα = = μμ11 αα = = μμ22

ββ = = μμ11 ββ = = μμ22

γγ = = …… = = μμ11 f f γγ = = …… = = μμ22 ff

Caân baèng hoùa hoïc: Caân baèng hoùa hoïc:

αα = = μμkk

ββ = = μμkk

γγ = = …… = = μμkk ff

μμ11 μμ22 ………… μμkk

Neâu ra bieåu thöùc toaùn ñeå tính baäc töï do cuûa caùc heä:

C = C = ∑∑((thoâng thoâng sosoáá tratraïïngng thathaùùii) ) –– ∑∑((phphööôngông trtrììnhnh lieânlieân heheää) )

Coâng thöùc toång quaùt: Coâng thöùc toång quaùt:

k : soá caáu töû trong heä

f + n C = C = k k –– f + n

f : soá pha trong heä

n : soá thoâng soá beân ngoaøi

taùc ñoäng leân heä

Thieát laäp coâng thöùc Thieát laäp coâng thöùc

Xeùt tröôøng hôïp coù hai thoâng soá beân ngoaøi taùc ñoäng leân

heä: (T, P) n = 2

Caùc ñieàu kieän caân baèng pha:

ββ = = μμ11 ββ = = μμ22

αα = = μμ11 αα = = μμ22

(k+2) doøng

- Soá thoâng soá traïng thaùi = (k + 2)f

TTαα = T= Tββ = T= Tγγ = = …… = = TTff PPαα = P= Pββ = P= Pγγ = = …… = P= Pff γγ = = …… = = μμ11 f f μμ11 γγ = = …… = = μμ22 ff μμ22 ………… μμkk

γγ = = …… = = μμkk ff

ββ = = μμkk

αα = = μμkk

- Soá phöông trình lieân heä = (k + 2)(f–1)+ f

(cid:198) C= (k+2)f –(k + 2)(f –1)–f

(cid:206)(cid:206) C = C = k k –– f + 2 f + 2

f thoâng soá

VVíí duduïï:: XeXeùùtt heheää nnööôôùùcc loloûûngng nguyeân nguyeân chachaáátt

k = 1

(cid:206) C = k – f + 2 = 1 – 1 + 2 = 2

f = 1

YYÙÙ nghnghóóaa::

HaiHai thoâng

thay ññooååii tutuøøyy yyùù ((trong

thoâng sosoáá nhienhieäätt ññooäängng ññooääcc lalaääpp tataùùcc ññooäängng leânleân heheää lalaøø: : T, PT, P trong momoäätt giôgiôùùii hahaïïnn xaxaùùcc ññònhònh) cocoùù thetheåå thay ) ). mamaøø heheää vaãnvaãn chchææ gogoààmm 1 1 phapha loloûûngng ((heheää vaãnvaãn caâncaân babaèèngng).

VVíí duduïï:: XeXeùùtt heheää nnööôôùùcc loloûûngng nanaèèmm caâncaân babaèèngng vôvôùùii hôihôi nnööôôùùcc

HH22O (l) = H O (l) = H22O (h)O (h)

k = 1; f = 2 (cid:206) C = k – f + 2 = 1 – 2 + 2 = 1

YYÙÙ nghnghóóaa:: HeHeää lalaøø nhanhaáátt biebieáánn. .

thoâng sosoáá cocoøønn lalaïïii seõseõ phaphaûûii thay

thoâng ÑÑeeåå heheää vaãnvaãn ôôûû tratraïïngng thathaùùii caâncaân babaèèngng, , khikhi 1 1 thoâng thay ññooååii thay ññooååii, , thoâng sosoáá thay theo lieânlieân heheää: : T= T= f(Pf(P)) theo

PHA VAØØ VI.1.3. GIAÛÛN N ÑÑOOÀÀ PHA VA VI.1.3. GIA

CACAÙÙC QUY TA

C QUY TAÉÉC CUC CUÛÛA GIA

PHA A GIAÛÛN N ÑÑOOÀÀ PHA

Giaûn ñoà pha (giaûn ñoà traïng thaùi)

laø ñoà thò moâ taû söï phuï thuoäc giöõa caùc thoâng soá traïng thaùi cuûa moät heä naèm trong caân baèng pha.

Coù caùc daïng: - Giaûn ñoà khoâng gian

- (P-T)

- (T-V)

- (P-V)

Moät giaûn ñoà pha bao goàm:

- Caùc ñöôøng: P = f(T), T = f(V), P = f(x) … (cid:206) moâ taû söï phuï thuoäc cuûa 2 thoâng soá ôû ñieàu kieän caân baèng pha

- Caùc maët: P = f(T, V), P = f(T, xi) … (cid:206) moâ taû söï phuï thuoäc cuûa 3 thoâng soá ôû ñieàu kieän caân baèng pha

- Caùc vuøng:

(cid:206) moâ taû caùc pha trong heä naèm caân baèng vôùi nhau

Giaûn ñoà pha laø coâng cuï ñeå nghieân cöùu ñònh tính vaø ñònh löôïng caùc quaù trình chuyeån pha, töø ñoù tính toaùn caùc thieát bò trong daây chuyeàn coâng ngheä hoùa hoïc.

Caùch bieåu dieãn caùc thoâng soá nhieät ñoäng treân giaûn ñoà pha Caùch bieåu dieãn caùc thoâng soá nhieät ñoäng treân giaûn ñoà pha

- Thoâng soá beân ngoaøi P, V, T:

Söû duïng phöông phaùp thoâng thöôøng treân truïc soá.

- Thoâng soá thaønh phaàn xi:

A

M

B

xB yB%

0 0

0.2 20

0.4 40

0.6 60

0.8 80

1.0 100%

Heä 2 caáu töû

Heä 3 caáu töû

Quy taéc cuûa giaûn ñoà pha Quy taéc cuûa giaûn ñoà pha

- Quy taéc lieân tuïc:

Neáu heä khoâng coù söï thay ñoåi veà chaát, soá pha hay daïng caùc pha thì caùc ñöôøng hay caùc maët treân giaûn ñoà seõ lieân tuïc.

- Quy taéc ñöôøng thaúng lieân hôïp:

ÔÛ ñieàu kieän ñaúng nhieät ñaúng aùp: heä H = heä H1 + heä H2

(cid:206) 3 ñieåm bieåu dieãn cuûa 3 heä naøy naèm treân moät ñöôøng thaúng (goïi laø ñöôøng thaúng lieân hôïp).

- Quy taéc khoái taâm : (TÖÏ ÑOÏC)

- Quy taéc ñoøn baåy:

heä H = heä H1 + heä H2

=

=

Löôïng heä H1 Löôïng heä H2

gH1 gH2

HH2 HH1

C

T

H1

H1

H

H2

H

H2

A

B

B

x

x1

x2

A

x1

x

x2

IV.2. CAÂN BAÈNG PHA IV.2. CAÂN BAÈNG PHA TRONG HEÄ 1 CAÁU TÖÛ TRONG HEÄ 1 CAÁU TÖÛ

(cid:206)(cid:206) XeXeùùtt ññeeáánn ssöïöï caâncaân babaèèngng gigiööõaõa cacaùùcc tratraïïngng thathaùùii tataääpp hôhôïïpp cucuûûaa 1 1 chachaáátt.. Pha loûng, khí : Pha loûng, khí : chchææ cocoùù 1 1 tratraïïngng thathaùùii tataääpp hôhôïïpp ((trtröøöø khkhíí

He)He)

Pha raén: Pha raén: cocoùù thetheåå cocoùù nhienhieààuu tratraïïngng thathaùùii tataääpp hôhôïïpp

chuyeåånn phapha = = ssöïöï thay thay ññooååii tratraïïngng thathaùùii tataääpp hôhôïïpp

(cid:198)(cid:198) thay

SSöïöï chuye ,V, thay ññooååii ññooäätt ngongoäätt nhnhööõngõng ttíínhnh chachaáátt cucuûûaa heheää: : ρρ, C, CPP,V, hiehieääuu öùöùngng nhienhieäätt……

C = 1C = 1 –– f + 2 = 3

YYÙÙ NghNghóóaa? ?

( f ≤≤ 3 )3 ) ( f f + 2 = 3 –– ff HeHeää 1 1 phapha: C = 2 : C = 2 : C = 1 HeHeää 2 2 phapha: C = 1 : C = 0 HeHeää 3 3 phapha: C = 0

chuyeåånn phapha

IV.2.1. AAÛÛnhnh hhööôôûûngng cucuûûaa aaùùpp suasuaáátt ññeeáánn nhienhieäätt ññooää chuye IV.2.1. XeXeùùtt heheää 1 1 cacaááuu ttöûöû totoàànn tataïïii caâncaân babaèèngng 2 2 phapha: : phapha αα = = phapha ββ

C = 1 (cid:198)(cid:198) ôôûû tratraïïngng thathaùùii caâncaân babaèèngng: T = C = 1 : T = f(Pf(P).).

XeXeùùtt ôôûû P, T P, T xaxaùùcc ññònhònh: : -- KhiKhi cocoùù caâncaân babaèèngng GGαα = G= Gββ

-- NeNeááuu thay thay ññooååii P P →→ P + P + dPdP ththìì T T →→ T + T + dTdT

(cid:198)(cid:198) thathaøønhnh lalaääpp caâncaân babaèèngng mômôùùii: :

GGαα + d G+ d Gαα = G= Gββ + + dGdGββ

(cid:198)(cid:198) dGdGαα = = dGdGββ, , thay thay dGdG = = --SdTSdT + + vdPvdP, , tata ñöñöôôïïcc: :

(cid:198)(cid:198)øø dGdGαα = = dGdGββ, , thay thay dGdG = = --SdTSdT + + VdPVdP, , tata ñöñöôôïïcc: :

dGdGαα = = dGdGββ

--SSααdTdT + + VVααdPdP = = --SSββdTdT + + VVββdPdP

( S( Sββ –– SSαα)dT)dT = (V= (Vββ –– VVαα ))dPdP

ΔΔSdTSdT = = ΔΔVdPVdP

=

(cid:206)

λ trong ññooùù ΔΔS = S = trong T

dT dP

V Δ S Δ

T

=

dT dP

V Δ λ

(cid:206)(cid:206) PhPhööôngông trtrììnhnh Clausius Clausius––Clapeyron Clapeyron I: I:

T

=

dT dP

V Δ λ

+ + HeHeää ngngööngng tutuïï:: íítt phuphuïï thuo thuoääcc vavaøøoo aaùùpp suasuaáátt, , tata cocoùù thetheåå ttíínhnh

T

≈

T P

Δ Δ

V Δ λ

gagaàànn ññuuùùngng ::

dT dP

> 0 + Quaù trình hoaù hôi: λhh > 0 vaø Vh – Vl > 0 neân

(khi P taêng thì Ts taêng)

+ Quaù trình noùng chaûy: λnc > 0 vaø phaàn lôùn Vl –Vr > 0

dT dP

> 0 neân

dT dP

Nöôùc: Vl –Vr < 0 neân

< 0 (khi P taêng, Tnc giaûm) (0oC:Vr= 1,098; Vl=1,001ml/g)

IV.2.2. AAÛÛnhnh hhööôôûûngng cucuûûaa nhienhieäätt ññooää ññeeáánn aaùùpp suasuaáátt hôihôi baõobaõo hohoøøaa IV.2.2.

XeXeùùtt haihai caâncaân babaèèngng sausau :

= Do Do VVhh >> >> VVll, , VVhh >> >> VVrr →→ ΔΔV V ≈≈ VVhh= : LoLoûûngng = = HôiHôi + + λλhhhh RaRaéénn = = HôiHôi + + λλthth RT P

((xemxem khkhíí lalaøø khkhíí lylyùù ttööôôûûngng))

=

=

=

2

d P lg dT

)λ ( cal T 4,575.

dP PdT

λ 2 RT

lnd P dT

λ 2 RT

j

=

+

ln P

= −

−

ln

(cid:206)(cid:206) PhPhööôngông trtrììnhnh Clausius Clausius -- Clapeyron Clapeyron II :II :

λ− RT

P 2 P 1

P = P = k.ek.e --λλ/RT/RT

phaân: : CaCaùùcc dadaïïngng ttííchch phaân ⎞ λ⎛ 1 1 ⎟ ⎜ T R T ⎝ ⎠ 1 2

= −

−

ln

P 2 P 1

1 T 1

λ⎛ 1 ⎜ R T ⎝ 2

⎞ ⎟ ⎠

AAÙÙpp duduïïngng phphööôngông trtrììnhnh Clausius Clausius -- Clapeyron Clapeyron II :II :

-- XaXaùùcc ññònhònh aaùùpp suasuaáátt hôihôi baõobaõo hohoøøaa khikhi thay thay ññooååii nhienhieäätt ññooää

((vavaøø ngngööôôïïcc lalaïïii) )

-- XaXaùùcc ññònhònh nhienhieäätt chuye chuyeåånn phapha

ññooááii vôvôùùii cacaùùcc caâncaân babaèèngng: : LoLoûûngng = = HôiHôi RaRaéénn = = HôiHôi

IV.2.3. AAÛÛnhnh hhööôôûûngng cucuûûaa aaùùpp suasuaáátt totoåångng cocoäängng ññeeáánn aaùùpp suasuaáátt hôihôi IV.2.3. baõobaõo hohoøøaa

PPtotoåångng = = PPbaõobaõo hohoøøaa cucuûûaa cacaùùcc chachaáátt loloûûngng + + PPcucuûûaa cacaùùcc khkhíí khakhaùùcc

−

oûng

P t

,1

)

(

ln

P t ,2 RT

P 2 P 1

PhPhööôngông trtrììnhnh lieânlieân heheää: : V = 1

IV.2.4. AAÛÛnhnh hhööôôûûngng cucuûûaa nhienhieäätt ññooää ññeeáánn nhienhieäätt chuye IV.2.4.

chuyeåånn phapha

NhieNhieäätt chuye thuoääcc vavaøøoo nhienhieäätt ññooää vavaøø aaùùpp

V

C

= Δ

+

P

λ T

d λ dT

∂ Δ ln T ∂

⎛ − ⎜ λ ⎝

⎞ ⎟ ⎠

P

(T,P), tata cocoùù phphööôngông trtrììnhnh: : chuyeåånn phapha phuphuïï thuo suasuaáátt caâncaân babaèèngng: : λλ = = λλ(T,P),

RT/P -- CaânCaân babaèèngng loloûûngng -- hôihôi , , raraéénn -- hôihôi, , cocoùù ΔΔVV≈≈VVhh≈≈ RT/P

C

= Δ

P

d λ dT

V

neânneân: :

-- CaânCaân babaèèngng raraéénn -- loloûûngng,

∂ Δ ln ⎛ , raraáátt nhonhoûû, , neânneân: : ⎜ T ∂⎝

⎞ ⎟ ⎠

P

C = Δ + P

d λ dT

λ T

IV.3. GIAÛN ÑOÀ TRAÏNG THAÙI IV.3. GIAÛN ÑOÀ TRAÏNG THAÙI CUÛA HEÄ 1CAÁU TÖÛ CUÛA HEÄ 1CAÁU TÖÛ

IV.3.1. GiaGiaûûnn ññooàà tratraïïngng thathaùùii cucuûûaa nnööôôùùcc IV.3.1.

-- Trong

Trong cacaùùcc vuvuøøngng:: f = 1 (cid:198)(cid:198) C = 2C = 2 f = 1

--TreânTreân cacaùùcc ñöñöôôøøngng:: heheää cocoùù 2 2 phapha CB CB nhaunhau f = 2 (cid:198)(cid:198) C= 1C= 1 f = 2

-- TaTaïïii ññieieååmm T :T : heheää cocoùù 3 3 phapha caâncaân babaèèngng nhaunhau

f = 3 (cid:198)(cid:198) C = 0C = 0 f = 3

-- C C lalaøø ññieieååmm tôtôùùii hahaïïnn..

= −

125

= −

0,008

tuaân theo

Δ Δ

--ÑöÑöôôøøngng BTBT tuaân Clausius––Clapeyron trtrììnhnh Clausius T Δ P Δ

(cid:198)(cid:198) theo phphööôngông Clapeyron I, I, cocoùù P T

(cid:198)(cid:198) neânneân dodoáácc ñöùñöùngng ttöøöø tratraùùii qua. qua.

RT

RT

−

λ

/

/

thh

--ÑöÑöôôøøngng CT, AT trtrììnhnh Clausius hahaøømm sosoáá muõmuõ: : − λ = hh

<

=

P hh

P thh

k e 1

k e 2

CT, AT tuaân tuaân theo Clausius––Clapeyron theo phphööôngông Clapeyron II, II, dadaïïngng

-- ÑöÑöôôøøngng DTDT lalaøø ñöñöôôøøngng kekeùùoo dadaøøii cuacuaûû CT CT ( ( giagiaûû bebeàànn chachaáátt loloûûngng chachaäämm ññoângoâng) .) .

IV.3.2. GiaûnGiaûn ñoàñoà traïng IV.3.2.

traïng thaùi

huyønh thaùi cuûacuûa löulöu huyønh

IV.3.3. GiaûnGiaûn ñoàñoà traïng IV.3.3.

traïng thaùi

thaùi cuûacuûa COCO22

BaBaøøii tataääpp veveàà nhanhaøø

BaBaøøii 1,2 1,2 trang trang 124124

BaBaøøii 11-- 6 6 trang trang 139 139 -- 140140