Chuong 7 can bang pha he 1 thanh phan 2017

Xét hai pha của nước rắn và lỏng tại điệu kiện T,p: NếuST,p =LT,p thì nước lỏng và nước đá nằm cân bằng... Hay nói cách khác, để biết trạng thái tồn tại của nước phải biết ít nhất 2 bi

Cân bằng pha – hệ một thành phần

3 pha của nước

• Hiểu được về hiện tượng chuyển pha và các qui luật chi phối.

• Hóa thế  điều khiển chuyển pha và cân bằng pha

• Tại cân bằng  là như nhau trong toàn bộ hệ thống

Xét hai pha của nước (rắn và lỏng) tại điệu kiện (T,p):

NếuS(T,p) =L(T,p) thì nước lỏng và nước đá nằm cân bằng

NếuS(T,p) >L(T,p) thì nước tồn tại ở pha lỏng

NếuS(T,p) <L(T,p) thì nước lỏng tồn tại ở pha rắn

Tại quá trình nóng chảy: S(T,p) = L(T,p)

Tại quá trình sôi: L(T,p) = g(T,p)

Giản đồ pha (phase diagram)

Mô tả trạng thái pha là hàm của các biến số trạng thái, như (T,p).

Đường nóng chảy (melting), rắn lỏng nằm cân bằng: S(T,p) = L(T,p)  hệ đơn biến

p = f(T)

Tại điểm ba (triple point): S(T,p) = L(T,p) = g(T,p)  hệ vô biến, T,p nhận giá trị

xác định Ví dụ H2O: (273.16 K; 0.006 bar)

Tại điểm tới hạn (criticalpoint) trạng thái lỏng khí không còn phân biệt được tạo thành

pha trung gian duy nhất.

Trong khu vực một pha hóa thế thấp hơn hai pha lân cận T và p có thể thay đổi độc

lập mà không xảy ra chuyển pha.

Các giai đoạn trên được thể hiện trong qui tắc pha cho hệ một thành phần: F = 3 – P.

F: số biến độc lập (số bậc tự do) mô tả hệ

P: số pha tại cân bằng

Qui tắc pha Gibbs (1867)

F = p – c + 2

Josiah Willard Gibbs

(1893 – 1903)

F: số biến độc lập (số bậc tự do) mô tả hệ

p: số pha tại cân bằng

c: số thành phần độc lập

2: biến số T và p

Xét hệ gồm c thành phần, phân bố trong p pha

Điều kiện cân bằng pha:

Tổng số biến số: (c - 1)p + 2

Tổng số phương trình: (p – 1)c

Số biến độc lập: F = (p – 1)c – [(c - 1)p + 2] = p – c + 2

) (

) ( ) (

) (

) ( ) ( ) (

) ( ) ( 2 p p p c c c                         2 2 1 1 1 ) (

) ( ) ( ) (

) ( ) (

p p p

p

p T T

T





















AD: Tính bậc tự do của nước lỏng nguyên chất

F = p – c + 2 = 1 – 1 + 2 = 2

Có thể thay đổi tùy ý 2 thông số độc lập (p, T) mà nước vẫn ở thể lỏng Hay nói

cách khác, để biết trạng thái tồn tại của nước phải biết ít nhất 2 biến số: Ở t =

1010C nước có thể ở thể lỏng hoặc thể khí tùy thuộc vào giá trị của áp suất hơi

trên bề mặt

AD: Tính bậc tự do quá trình sôi của nước: H2O(l) = H2O(h)

F = p – c + 2 = 1 – 2 + 2 = 1

Chỉ có thể thay đổi tùy ý một thông số của hệ mà cân bằng L = H vẫn duy trì

Nếu thay đổi áp suất p tùy ý thì nhiệt độ T sẽ là thông số phụ thuộc T = f(P)

Nếu cố định P (1 tam), F = 0 thì T phải xác định (T = 1000C)

Nếu thay đổi tùy ý P, T thì cân bằng sẽ bị phá hủy

Sự sôi và bay hơi

250C

Pngoài

Phơi

1000C

Sự bay hơi: hơi hình thành trên bề mặt lỏng.

Sự sôi: hơi hình thành trên bề mặt và trong lòng chất lỏng.

Điều kiện để chất lỏng sôi: p(hơi) p(bên ngoài hệ)

Trong giản đồ pha, cân bằng có khí thì trục tung là áp suất hơi bão hòa của khí đó.

Đo áp suất hơi bão hòa

Giản đồ pha của nước

Gản đồ pha 3 chiều của nước f(p,V,T)

Gản đồ pha của nước f(T,p) ở áp suất cao

Gản đồ pha của nước f(T,p) ở áp suất thường

• Ở áp suất khí quyển (p = 1atm) nước sôi ở 1000C (phơi bão hòa= 1 atm) và đông

đặc tại 00C

• Khi áp suất bên ngoài giảm, thì nhiệt độ sôi giảm: có thể sôi ở 250C nếu Pngoài

= Pbh tại 250C

• Nước khác biệt phần lớn chất khác: khi áp suất tăng thì nhiệt độ nóng chảy lại

giảm (duy trì được sự sống!)

• Nước đá ở t = 00C không bị thăng hoa, do pbh> 0.006 atm, nhưng khi t < 00C

nước đá sẽ bị thăng hoa

AD: Đun nóng nước ở áp suất khí quyển (1atm), trước khi nước sôi trên bề mặt

nước có xuất hiện hơi nước không ? Hiện tượng quan sát được có mâu thuẫn với

giản đồ pha không ?

AD: Thực hiện thí nghiệm theo sơ đồ dưới:

- Hãy phân tích hiện tượng xảy ra

- Sau khi hệ ổn định tiến hành làm lạnh chậm về -50C Hệ sẽ biến đổi như thế

nào ?

H2O(L) Chân không

(25 0 C)

AD: Vì sao khi sôi hay nóng chảy nhiệt độ của nước luôn giữ không đổi ?

AD: Vì sao Khi đun nóng nước trước khi nước sôi thì xuất hiện tiếng “réo” như mưa ?

AD: Có thể dùng nước để kiểm tra độ nóng của chảo ?

Nhiệt độ nóng chảy của nước và trượt băng

Nguyên tắc hoạt động của nồi áp suất ?

Vì sao khay kim loại trong ngăn đá dính chặt vào

tay khi chạm vào ?

Hiện tượng chậm đông của nước

Ứng dụng điểm 3 của nước

O

Điểm 3 (T = 273,16K ; P = 0,006 atm)

Chuẩn nhiệt độ quốc tế

Giản đồ pha của CO 2

Vì sao CO2rắn được gọi là nước đá khô ?

Áp lực bình đựng CO 2 lỏng khi nhiệt độ lớn hơn 31 0 C ?

Nước đá khô được sử dụng làm chất tạo khói

Ứng dụng của CO 2 siêu tới hạn

Hãy giải thích hiện tượng thăng hoa của iod, biết ở điều kiện thường áp suất hơi của

iod khoảng 40 Pa.

Giản đồ pha của Iod

AD: Thí nghiệm cho iod rắn vào bình cầu thủy tinh hàn kín Đun nóng chậm iod lên

200 0 C sau đó làm lạnh về nhiệt độ phòng Hãy phân tích hiện tượng quan sát được (chú

ý: lượng iod dùng ban đầu sẽ ảnh hưởng đến thí nghiệm)

Trong điều kiện nào thì than chì có thể biến thành kim cương ?

Ở điều kiện thường kim cương hay than chì bền hơn ?

Giản đồ pha của Cacbon

Biến than chì thành kim cương

C(gra) → C(diamon) 3000 0 C, 80.000 atm

Tổng hợp kim cương nhân tạo

Có thể hóa lỏng oxi bằng cách nén khí ở nhiệt độ thường không ?

Giản đồ pha của oxi

AD:Bình trợ khí của thợ lặng chứa oxi dưới dạng lỏng hay khí ? Biết nhiệt độ tới hạn

của oxi T = -1190C

Giản đồ pha của Lưu huỳnh

S có 2 thù hình: trực thoi (rhombic)

và đơn tà (monoclinic)

4 pha của lưu huỳnh nằm cân bằng

với nhau Tuy nhiên, không quá 3 pha

cùng nằm cân bằng

Nhiên liệu gas

Propane (LPG): Tboil = -400C

Isobutane: Tboil = -120C

Butane: Tboil = -0,50C

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Nguy cơ cháy nổ

Propane, 11 atm Butane, 3 atm

Phương trình Clausius - Clapeyron

Xét cấu tử i nằm cân bằng giữa 2 pha và :

i  i

p) (T, dμ p)

(T, dμ p)

(T, μ p) (T,

dp V dT -S

dp V dT S

m

m m

m α

m, β

m,

α m, β

m,

V T

ΔH ΔV

ΔS V

V

S S

Cân bằng lỏng – khí, rắn – khí, có thể viết:

Vm(g) >> Vm(l), Vm(s) Vm  Vm(g)

Phương trình Clausius – Clapeyron được viết:

Từ phương trình tính được H và áp suất hơi bão hòa trên bề mặt chất lỏng và

rắn theo nhiệt độ T

2 m

m

RT

H dT

dlnp )

( TV

ΔH dT

vap m, 1

2

T

1 T

1 R

ΔH p

subl m, 1

2

T

1 T

1 R

ΔH p

p ln

Cân bằng rắn – lỏng

Phần lớn các chất: Vm,l > Vm,s áp suất tăng thì nhiệt độ nóng chảy tăng

Với nước ở áp suất thấp: Vm,l < Vm,s áp suất tăng nhiệt độ nóng chảy giảm!

m

m

V T

ΔH dT

dp





AD: Tại 1000 C áp suất hơi bão hòa của nước là 1 atm và nhiệt hóa hơi của nước là 41.440

kJ/mol.

1 Tính áp suất hơi bão hòa của nước tại 10 0 C

2 Để nước sôi ở 10 0 C thì áp suất bên ngoài là bao nhiêu ?

43

AD: Tính nhiệt độ sôi của nước trên đỉnh Phan Xi Păng có độ cao 3140m Biết

rằng cứ lên cao 10m thì áp suất khí quyển giảm đi 1mmHg, áp suất khí quyển ở

mực nước biển bằng 760mmHg và nhiệt hóa hơi của nước lỏng là 41440J/mol

(ĐS 85,70C) Biết áp suất hơi nước tại 1000C là 1atm

44

AD: Nồi áp suất hoạt động theo nguyên lí nhiệt độ hóa hơi của nước tỉ lệ với áp

suất hơi trên bề mặt Tính nhiệt độ của nước trong nồi khi áp suất đạt 5atm, biết

nhiệt hóa hơi của nước lỏng là 2.3 x 106J/kg

AD: Ở 700C áp suất hơi của CCl4 bằng 621.15 mmHg, nhiệt bay hơi bằng

30781.688 J/mol Tính nhiệt độ sôi chuẩn của CCl4

45

AD: Nhiệt hóa hơi của nước được xác đinh dựa vào thí nghiệm đo áp suất hơi của nước

theo nhiệt độ Từ số liệu xác định  Hvap.

t( 0 C) 100.5 98.5 96.0 94.0 92.5 89.0 88.0 85.0 83.0

Ảnh hưởng áp suất khí trơ và áp suất hơi trên bề mặt chất

0 V

V p

p V

p

p V

p

) p T, (l, μ p

p p

μ p

) p T, (g, μ

g m,

l m, T

A l

m, T

A g m,

T

A A

T

A T A A T

A A

pHg = 0.2700 torr tại 1000C (nguyên chất)

pHg = 0.2701 torr tại áp suất tổng 1 bar

pHg = 0.2830 torr tại áp suất tổng 100 bar

A l

m, A

A

0 A

0

dp V

p

dp RT dp

V p

dp RT

) p (p V p

p

0