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

Khái quát về cân bằng pha trong hệ một cấu tử 5.2.. Giản đồ trạng thái của hệ một cấu tử 5.5.1 Biểu đồ trạng thái của nước 12 • Lưu huỳnh rắn tồn tại dưới hai dạng thù hình là: dạng trực

Trang 1

CÂN BẰNG PHA HỆ 1 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

CHƯƠNG 5

2

 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…

 Khiáp dụng quy tắc pha Gibbs cho hệ một cấu tử ta có:

f 3 2 f 1 2 f k

c        

3

 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

 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)

4

5.2.1 Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ chuyển pha

 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:

 Trongđó:

T:nhiệt độ tuyệt đối

V: sự biến thiên thể tích của pha tạo thành và

pha banđầu

: nhiệt chuyển pha





 T . V

dP dT

Trang 2

Ta có nhận xét sau:

 Với quá trình sôi (hóa hơi):

λhh>0 vàΔV =Vh– Vl>0 nên:

 Với quá trình nóng chảy thì cònV có thể dương hoặc

âm.Ở đa số chất thì do đó :

0 dP

dT 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

0 dP

5.2.1 Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ

chuyển pha

6

Hình 5.1 Sự phụ thuộc của nhiệt độ nóng chảy vào

áp suất

5.2.1 Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ chuyển pha

7

 Phương trình Clausius - Clapeyron II mô tả ảnh hưởng

của nhiệt độ đến áp suất hơi bão hòa:

 Ta cóthể rút ra:

 Từ phương trình này ta có thể tính toán gần đúng các

thôngsố nhiệt động như áp suất hơi, nhiệt độ sôi hay

nhiệt hóa hơi…

2

RT dT dlnP  















1 2 1 2

T

1 T

1 R P

P ln

5.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến áp suất hơi

bão hòa

8

Khihệ cân bằng: Glỏng Ghơi Hay dGl= dGh Khi T = const: dG = V dP Nên ta có: Vl dPl= Vh dPh

Ápsuất tác động lên pha lỏng chính là áp suất tổng cộng nên:

cộng đến áp suất hơi bão hòa

Lỏng A

Hơi A + khí

Pt= P + P’

 Xét hệ sau:

h l

t V

V dP

t

1 dP R.T

V P

T R P P V P

P

1



 Tachứng minh được hệ thức sau:

hay

Trang 3

 Theo Clausius Clapeyron thìnhiệt chuyển pha tùy thuộc vào

ápsuất cân bằng nên=(T, P)

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

+Đối với cân bằng L – H hay R – H, ta có:

+Đối với cân bằng R – L, ta có:

nhiệt chuyển pha

P P

T ΔV

ln λ T

λ ΔC

dT

dλ





















P

ΔC dT

dλ 

T

λ ΔC dT

dλ

P



10

 Trạng thái của hệ một cấu tử có thể biểu diễn bởi phương trình liênhệ 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 tháiđể biểu diễn một hệ như thế thì rất phức tạp Do đó người

tathường 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

batrục 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

khôngđổi thì ta có các biểu đổ phẳng:

– Khi V = const, ta cóbiểu đồ đẳng tích (P - T)

– Khi P = const, ta cóbiểu đồ đẳng áp (T - V)

– Khi T = const, ta cóbiểu đồ đẳng nhiệt (P - V)

 Tùy theo yêucầu nghiên cứu mà ta sử dụng những biểu đồ

thíchhợp Sau đây chúng ta xét biểu đồ trạng thái (P - T) của vàichất để làm ví dụ

5.5 Giản đồ trạng thái của hệ một cấu tử

11

5.5.1 Biểu đồ trạng thái của nước

12

• 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

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

5.5 Giản đồ trạng thái của hệ một cấu tử 5.5.2 Biểu đồ trạng thái củalưu huỳnh

Trang 4

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 > 2,2.104atm

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 7,1.105atm và có hỗn hợp xúc tác tantan - coban, người ta có thể tạo được kim cương từ grafit

5.5.1 Biểu đồ trạng thái của cacbon

14

Bài tập mẫu

 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 00Cnhiệt 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

nóngchảy của nước đá là bao nhiêu?

 Ví dụ 4: Xác định lượng CS2được lấy ra khi thổi 0,005 m3 không khí vào CS2ở áp suất 720 mmHg và 400C Chobiết nhiệt hóahơi của CS2ở nhiệt độ sôi chuẩn 46,50C là 355,8 J/g

Định dạng
Số trang	4
Dung lượng	375,09 KB