Quy tắc pha giản đồ pha của nước

hay các thông số trạng thái độc lập gồm nhiệt độ, áp suất, thành phần các cấu tử đủ để đặc trưng cho trạng thái cân bằng của hệ.. * Cân bằng pha: Cân bằng trong các hệ dị thể mà ở đó khô

I- Quy tắc pha

Trong đó:

• Pha: là tập hợp các phần đồng thể của hệ có tính chất vật lí, tính chất hóa học hoàn toàn giống

nhau và được tách ra khỏi hệ bởi bề mặt phân chia

Hệ đồng thể chỉ gồm một pha, hệ dị thể gồm hai pha hay nhiều pha

Cách tính số pha như sau:

- Số pha lỏng bằng số chất lỏng tạo thành những pha riêng biệt

- Số pha rắn bằng tổng số chất rắn tạo thành các pha khác nhau

- Đối với hệ khí, trong điều kiện thồng thường số pha bằng một

Số pha của hệ bằng tổng pha rắn, pha lỏng và pha khí.

• Cấu tử-chất hợp phần: là những chất tồn tại trong hệ, có thể tách riêng lẽ với hệ.

• Số cấu tử là số chất hợp phần ít nhất để xây dựng một hệ có thành phần cho trước

Thí dụ:

+ Nếu trong hệ không có phản ứng hóa học giữa các chất, thì lượng mỗi chất cấu tử không

phụ thuộc vào nhau Số cấu tử = số chất hợp phần

+ Trong hệ có phản ứng hóa học thì lượng các chất hợp phần phụ thuộc lẫn nhau Khi xây dựng hệ có thành phần cho trước không nhất thiết phải lấy đủ các chất trong thành phần của hệ mà chỉ một số trong các chất đó

• Số bậc tự do : là số điều kiện ( thông số ) có thể thay đổi một cách độc lập mà không

làm thay đổi số pha và loại pha của hệ (hay các thông số trạng thái độc lập gồm nhiệt độ, áp suất, thành phần các cấu tử đủ để đặc trưng cho trạng thái cân bằng của hệ)

n Số yếu tố bên ngoài quyết định sự tồn tại của hệ Thông thường chỉ có 2 yếu tố nhiệt độ và áp suất nên n=2 , nếu chỉ có 1 yếu tố nhiệt độ hay áp suất thì n=1

* Trạng thái cân bằng nhiệt động

Trạng thái cân bằng nhiệt động là trạng thái mà hệ không thực hiện một công nào với môi trường

hoặc ngược lại môi trường ngoài cũng hoàn toàn không tác dụng một công nào đối với hệ Trong thực tế thật khó lòng biết được hệ đã ở trạng thái cân bằng hay chưa

* Cân bằng pha:

Cân bằng trong các hệ dị thể mà ở đó không xảy ra phản ứng hoá học giữa các cấu tử với nhau nhưng xảy ra các quá trình biến đổi pha của các cấu tử được gọi là cân bằng pha

* Thiết lập Qui tắc pha

Gọi X là tổng số biến số trạng thái của hệ

Y là số phương trình liên hệ giữa các biến số trạng thái

Thì số bậc tự do f của hệ là:

f = X - Y

Số biến số trạng thái nhiệt độ ở F pha là F

Số biến số trạng thái áp suất ở F pha là F

Số biến số trạng thái về thành phần của C cấu tử ở F pha là CF

Vậy tổng số biến số X của hệ là:

X = F + F + CF = 2F + CF

Số phương trình liên hệ các biến số trạng thái trên gồm:

- Ðiều kiện cân bằng nhiệt độ:

=> có (F ( 1) phương trình

- Ðiều kiện cân bằng áp suất:

- Ðiều kiện cân bằng hóa thế của C cấu tử trong F pha:

- Ðiều kiện tổng thành phần các chất trong một pha phải bằng 100% => có F phương trình (vì mỗi pha có 1 phương trình)

Như vậy, tổng số phương trình Y là:

Y = (F - 1) + (F - 1) + C(F - 1) + F

Y = 3F + CF - C - 2

Bậc tự do f là:

f = X - Y

f = 2F + CF - (3F + CF - C - 2)

Biểu thức này thường được gọi là qui tắc pha của Gibbs có thể phát biểu như sau:

"Số bậc tự do của một hệ mà chỉ chịu ảnh hưởng của hai biến số trạng thái là nhiệt độ và áp suất thì bằng số cấu tử trừ đi số pha có trong hệ và cộng 2".

Với những biến đổi ở áp suất không đổi bằng áp suất khí quyển chẳng hạn thì bậc tự do f sẽ là:

Với biến đổi đẳng áp và đẳng nhiệt thì:

Dựa vào qui tắc pha, có thể phân loại các hệ theo một trong ba tiêu chuẩn là: số cấu tử, số pha hay số bậc tự do

- Dựa vào số cấu tử, người ta phân biệt hệ một cấu tử, hệ hai cấu tử, hệ ba cấu tử tùy theo hệ có chứa một, hai hay ba cấu tử

- Dựa vào số pha, người ta phân biệt hệ đồng thể (hệ một pha), hệ dị thể (hệ hai pha, hệ ba pha ) tùy theo hệ có chứa một pha, hai pha, ba pha

- Dựa vào số bậc tự do, người ta phân biệt hệ không biến (vô biến, bất biến), hệ một biến, hệ hai biến, hệ nhiều biến (đa biến) tùy theo hệ có bậc tự do bằng 0, 1, 2 hay nhiều bậc tự do

II Phương trình Clapeyron-Clausius

Đối với hệ một cấu tử ( C = 1) cân bằng pha được mô tả bằng phương trình Clapeyron Clausius:

Trong đó

+ ∆H là biến thiên entanpi của quá trình chuyển pha ( Đối với cân bằng L ↔ H

là Nhiệt hóa hơi; đối với cân bằng R ↔L là Nhiệt nóng chảy)

+ ∆V là biến thiên thể tích

của quá trình tương ứng

+ T là nhiệt độ chuyển pha

Công thức này được áp dụng một cách rất hiệu quả trong việc xét các cân bằng rắn-lỏng.Thật vậy, nhờ có công thức này mà ta có thể giải thích được tại sao ở một nhiệt độ không đổi, sự tăng áp suất làm tan chảy nước đá và một cách tổng quát hơn là sự giải thích tại sao hai pha

cơ bản của nước là thể rắn và thể lỏng có thể cùng tồn tại ở những điều kiện áp suất và nhiệt

độ khác nhau

III Giản đồ pha

Giản đồ pha (còn gọi là giản đồ trạng thái hay giản đồ cân bằng) của một hệ là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng (tỷ lệ) các pha (hoặc tổ chức) của hệ đó ở trạng thái cân bằng Các hệ có giản đồ pha khác nhau và chúng được xây dựng chỉ bằng thực nghiệm Trong thực tế không có hai giản đồ pha nào giống nhau hoàn toàn vì tương tác giữa các cấu tử xảy ra rất phức tạp từ kiểu pha, các phản ứng cho đến nhiệt độ tạo thành

Xét giản đồ trạng thái hệ một cấu tử

Giản đồ pha được tạo ra dựa trên cơ sở các số liệu thực nghiệm Giản đồ pha của hệ một cấu tử được biểu diễn trong tọa độ phẳng áp suất - nhiệt độ

Từ quy tắc pha : f = C - F + 2

Khi xét với hệ 1 cấu tử => C = 1

=> f = 1 - F + 2

=> f = 3 - F

=> số bậc tự do lớn nhất trong hệ 1 cấu tử là 2

Dưới đây là giản đồ pha của nước:

Ðường OA là đường thăng hoa của H2O rắn, biểu diễn sự cân bằng giữa nước đá với hơi nước, nghĩa là trên đó (ứng với nhiệt độ, áp suất thích hợp) có sự cân bằng tồn tại đồng thời giữa nước ở pha rắn và nước ở pha hơi

Ðường OB biểu diễn sự cân bằng giữa nước đá với nước lỏng

Ðường OC biểu diễn sự cân bằng giữa nước lỏng với hơi nước

O là tọa độ tại đó có sự cân bằng tồn tại đồng thời cả 3 pha rắn, lỏng, hơi của nước, đó là vị trí có nhiệt độ 0,0098oC, áp suất 4,58mmHg và được gọi là điểm ba của nước

Ở vùng H2O rắn (hoặc nước lỏng hoặc hơi nước) có số pha F = 1

=> số bậc tự do trong vùng đó là: f = 3 - F = 3 - 1 = 2

Nghĩa là trong các vùng này ta có thể tự do thay đổi 2 biến số nhiệt độ và áp suất (trong chừng mực nào đó) mà số pha của hệ vẫn là 1

Còn trên đường cân bằng hai pha (OA, OB, OC) lúc đó số pha F = 2

=> Số bậc tự do trên đó: f = 3 - F = 3 - 2 = 1

Nghĩa là trên các đường này chỉ có thế thay đổi tự do 1 biến số nhiệt độ (hoặc áp suất), biến số kia thay đổi tương ứng theo, và hệ vẫn còn cân bằng tồn tại hai pha Còn ở điểm ba (0), số pha F = 3

=> Số bậc tự do: f = 3 - F = 3 - 3 = 0

=> Tại đây không thể thay đổi biến số nhiệt độ hay áp suất được mà chỉ có một trị số xác định

(0,0098oC; 4,58mmHg) để nước tồn tại đồng thời 3 pha

Ðộ dốc các đường OA, OB, OC có thể được giải thích khi dựa vào phương trình Clapeyron:

Căn cứ vào dấu của mà biết được P, T đồng biến hay nghịch biến và căn cứ vào

độ lớn của mà đường biểu diễn dốc nhiều hay ít

Ý nghĩa của giản đồ pha

Trong phòng thí nghiệm, nhà hóa học thường được yêu cầu tách riêng các cấu tử của mộ hỗn hợp, chiết một chất tự nhiên ra khỏi một nước sắc hay làm sạch một sản phẩm vừa tổng hợp Khi đó có thể thực hiện việc cất phân đọan, cất lôi cuốnhơi nước, cất nước hay bớt tính phân đọan Tất cả các

kĩ thuật này vận dụng sự chuyển dịch của cân bằng lỏng – hơi hoặc rắn – lỏng, biểu thị rất rõ qua phase diagram

Ngòai ra, trong công nghệ vật liệu, các kết cấu kim lọai, tôn, và các chi tiết lắp ráp, được sử dụng trong ô tô, hàng không và điện gia dụng, thường được làm bằng các hợp kim của hai hay nhiều kim lọai Các tính chất nhiệt và cơ của các kim lọai này phụ thuộc và thành phần của chúng Chẳng hạn việc cho thêm sodium chloride rắn vào nước đá tán nhỏ hạ thấp rõ rệt nhiệt độ nóng chảy của nó, từ

đó dẫn tới việc dùng các hỡn hợp làm lạnh nước đá – muối và rải muối các con đường để làm tan băng

Nhôm oxide Al2O3 nóng chảy ở 2050 độ C, nên sự điện phân công nghiệp ở nhiệt độ này là ko thể,

ko thực tế; việc thêm cryolite Na3AlF6 cho phép thu được một hỗn hợp nóng chảy ở 960 độ C, khi

đó có thể diện phân để điều chế nhôm

Tất cả các ứng dụng trên đều xuất phát từ việc nghiên cứu các đặc trưng của solid – liquid phase diagram