Tải bản đầy đủ

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

CHƯƠNG 5
CÂN BẰNG PHA HỆ 1 CẤU TỬ

5.1. Khái quát về cân bằng pha
trong hệ một cấu tử


5.1. Khái quát về cân bằng pha trong hệ một cấu tử
5.2. Phương trình Clausius - Clapeyron
5.3. Ảnh hưởng của áp suất tổng đến áp suất hơi



bão hòa
5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất hơi bão
hòa



5.5 Biểu đồ trạng thái của hệ một cấu tử
1








3

c  k  f  2  1 f  2  3  f

2

5.1. Khái quát về cân bằng pha
trong hệ một cấu tử
Nếu hệ gồm 1 pha:c = 2. Nghĩa là cả 2 thông số bên ngoài
đều có thể tùy ý thay đổi trong một giới hạn xác định mà hệ
vẫn tồn tại 1 pha.

5.2. Phương trình Clausius Clapeyron
5.2.1 Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ
chuyển pha


Nếu hệ gồm 2 pha nằm cân bằng:c = 1. Nghĩa là trong 2
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 3 pha nằm cân bằng:c = 0. nghĩa là chỉ có thể
tồn tại cân bằng của 3 pha trong một điều kiện bên ngoài hoàn
toàn xác định (về áp suất và nhiệt độ). Cũng có thể khẳng
định, tuy hệ một cấu tử có thể tồn tại ở nhiều dạng pha khác
nhau, song số pha đồng thời nằm trong một trạng thái cân
bằng tối đa chỉ có thể là 3 (vì độ tự do c ≥ 0).

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
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 nhau 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 như 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 và áp suất nên các đại lượng đặc trưng cơ
bản cho sự chuyển pha là nhiệt độ và áp suất. Chúng có
mối liên hệ trực tiếp với nhau trong quá trình chuyển pha
đã được Clapeyron - Clausius thiết lập bằng biểu thức:

dT T.V

dP



4

Trong đó:
T: nhiệt độ tuyệt đối.
V: sự biến thiên thể tích của pha tạo thành và
pha ban đầu.
 : nhiệt chuyển pha.

1


5.2. Phương trình Clausius Clapeyron
5.2.1 Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ
chuyển pha

5.2.1 Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ
chuyển pha

Ta có nhận xét sau:


Với quá trình sôi (hóa hơi):
λhh>0 và ΔV =Vh – Vl>0 nên:

dT
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
dP

5

5.2. Phương trình Clausius Clapeyron
5.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến áp suất hơi
bão hòa


Hình 5.1. Sự phụ thuộc của nhiệt độ nóng chảy vào
áp suất

6

5.3. Ảnh hưởng của áp suất tổng
cộng đến áp suất hơi bão hòa




7

Pt = P + P’

Nên ta có: Vl . dPl = Vh . dPh

Lỏng A



8

dGl = dGh

Khi T = const: dG = V. dP

P2
 1
1
  
 
P1
R  T2 T1 

Từ phương trình này ta có thể tính toán gần đúng các
thông số nhiệt động như áp suất hơi, nhiệt độ sôi hay
nhiệt hóa hơi…

Ghơi

Hơi A + khí

Ta có thể rút ra:

ln

Khi hệ cân bằng: Glỏng
Hay

dlnP


dT
RT 2


Xét hệ sau:

Phương trình Clausius - Clapeyron II mô tả ảnh hưởng
của nhiệt độ đến áp suất hơi bão hòa:

Áp suất tác động lên pha lỏng chính là áp
suất tổng cộng nên:
V
dP

Ta chứng minh được hệ thức sau:

dP
V
 1  dPt
P
R.T

hay

ln

dPt



l

Vh

P2 Vl Pt,2  Pt,1 

P1
R.T

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



áp suất cân bằng nên  = (T, P)



Lấy vi phân từng biến và kết hợp PT C – C I ta có:


λ
 ln ΔV 
 ΔC P   λ

dT
T
 T  P
+ Đối với cân bằng L – H hay R – H, ta có:

+ Đối với cân bằng R – L, ta có:




 ΔC P
dT


λ
 ΔC P 
dT
T

9



10

Trạng thái của hệ một cấu tử có thể biểu diễn bởi phương trình
liên hệ giữa các thông số của hệ.
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
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.
Trạng thái của hệ được hoàn toàn xác định bởi ba thông số: áp
suất, nhiệt độ và thể tích riêng. Vì thế biểu đồ không gian gồm
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
không đổi thì ta có các biểu đổ phẳng:
– Khi V = const, ta có biểu đồ đẳng tích (P - T).
– Khi P = const, ta có biểu đồ đẳng áp (T - V).
– Khi T = const, ta có biểu đồ đẳng nhiệt (P - V).
Tùy theo yêu cầu nghiên cứu mà ta sử dụng những biểu đồ
thích hợp. Sau đây chúng ta xét biểu đồ trạng thái (P - T) của
vài chất để làm ví dụ.

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.

11

12

Các điểm A, B và C là các điểm ba bền, mô tả
các cân bằng ba pha tương ứng.

3


5.5. Giản đồ trạng thái của hệ một cấu tử

Bài tập mẫu

5.5.1 Biểu đồ trạng thái của cacbon


Đường cong AB là đường cân bằng
cacbon dạng kim cương và cacbon dạng
grafit. Về mặt nhiệt động, ở điều kiện bình
thường grafit bền hơn kim cương. Muốn
chuyển hóa grafit thành kim cương ở
2980K thì phải cần áp suất P > 2,2.104 atm.
Nhưng trong quá trình thực tế chỉ xảy ra
ở điều kiện nhiệt độ cao, áp suất rất cao và
có xúc tác. Ví dụ ở nhiệt độ 20000C, áp
suất trên 7,1.105 atm và có hỗn hợp xúc tác
tantan - coban, người ta có thể tạo được
kim cương từ grafit.

13

Ví dụ 1: Tính áp suất cần thiết để nhiệt độ sôi của nước là
120,90C. Biết nhiệt hóa hơi của nước 538,1 cal/g.



Ví dụ 2: Ở 00C nhiệt nóng chảy của nước đá là 5996,63 J/mol,
thể tích riêng của nước lỏng và nước đá tương ứng là Vl =
1,001 cm3/g, Vr = 1,089 cm3/g. Hỏi khi áp suất 3 atm thì nhiệt độ
nóng chảy của nước đá là bao nhiêu?



Ví dụ 4: Xác định lượng CS2 được lấy ra khi thổi 0,005 m3
không khí vào CS2 ở áp suất 720 mmHg và 400C. Cho biết nhiệt
hóa hơi của CS2 ở nhiệt độ sôi chuẩn 46,50C là 355,8 J/g.

14

4



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×