LÝ THUYẾT GIẢN ĐỒ PHA

Ảnh hưởng áp suất đến nhiệt độ chuyển pha (Phương trình C – C I): 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất hơi bão hòa (phương trình C – C II): 3. Ảnh hưởng của áp suất tổng đến áp suất hơi bão hòa: 4. Một số giản độ hệ một cấu tử λ V . T dP dT   2 T . R λ dT P ln d    T Trình bày các quy tắc pha; Thiết lập quy tắc pha Gibbs; Thành lập các phương trình cơ bản trong lý thuyết giản đồ pha và áp dụng tính toán  Vận dụng cơ sở lý thuyết pha và các quy tắc pha phân tích các quá trình đa nhiệt và tính toán được các giản đồ hệ bậc hai.  Phân tích các quá trình đẳng nhiêt và tính toán được các giản đồ hệ bậc ba.  Xây dựng các giản đồ hình chiếu và phân tích các quá trình bay hơi đẳng nhiệ

Trang 1

GiỚI THIỆU MÔN HỌC

Giảng viên: ThS Nguyễn Minh Quang

Email: nguyenminhquang@iuh.edu.vn

GIẢN ĐỒ PHA

Trang 2

Chuẩn đầu ra

 Trình bày các quy tắc pha; Thiết lập quy tắc pha Gibbs; Thànhlập các phương trình cơ bản trong lý thuyết giản đồ pha và ápdụng tính toán

 Vận dụng cơ sở lý thuyết pha và các quy tắc pha phân tíchcác quá trình đa nhiệt và tính toán được các giản đồ hệ bậchai

 Phân tích các quá trình đẳng nhiêt và tính toán được các giản

đồ hệ bậc ba

 Xây dựng các giản đồ hình chiếu và phân tích các quá trình

Trang 3

Đánh giá chuẩn đầu ra

Trang 5

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Hoàng Đông Nam, Tính toán bằng giản đồ độ tan trong

công nghệ các chất vô cơ, NXB ĐH QG TPHCM, 1999.

[2] Nguyễn An, Giản đồ pha (Các hệ muối – nước), Trường

Đại học Bách Khoa Hà Nội, 1999.

[3] Phan Văn Tường, Phân tích hóa lý tập 1,2, Trường Đại học

Tổng hợp Hà Nội, 1972.

[4] Đào Văn Lượng, Nhiệt động hóa học, NXB KH và KT, 2007 [5] Nguyễn Minh Quang, Bài giảng “Giản đồ pha”

Trang 6

NỘI DUNG MÔN HỌC

1 Chương 1: Các khái niệm và quy tắc cơ bản

2 Chương 2: Xây dựng và tính toán giản đồ độ

Trang 7

CHƯƠNG 1

CÁC KHÁI NIỆM VÀ QUY TẮC CƠ

BẢN TRONG GIẢN ĐỒ PHA

Số tiết: 6

Trang 8

1.1 Một số khái niệm cơ bản 1.2 Quy tắc pha Gibbs

1.3 Cách biểu diễn giản đồ pha 1.4 Các quy tắc giản đồ pha

1.5 Giản đồ pha hệ một cấu tử

Nội dung

Trang 9

1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Là tập hợp các phần đồng thể tồn tại của hệ, có thành phần hóa học và tính chất hóa lý ở mọi điểm là như

nhau

Ký hiệu: f

Pha

Trang 11

Là số tối thiểu hợp phần đủ để tạo

Trang 13

Quan hệ khi hệ ở trạng thái cân bằng:

5

2 3

PCl

Cl PCl

Trang 14

là số thông số nhiệt động độc lập đủ

để xác định hệ tại cân bằng.

Ký hiệu:

Độ tự do (Bậc tự do)

Trang 15

– Hệ có c = 0 gọi là hệ vô biến.

– Hệ có c = 1 gọi là hệ nhất biến.

Độ tự do (Bậc tự do)

Trang 16

 Giản đồ pha (biểu đồ trạng thái) là đồ thị mô tả sự phụ thuộc giữa các thông số trạng thái của hệ nằm trong cân bằng pha.

 Một giản đồ pha bao gồm các điểm, các đường, các mặt và các vùng.

Giản đồ pha

Trang 17

1.2 QUY TẮC PHA GIBBS

“dựa vào nguyên lý 2 nhiệt động học”.

Các quá trình nhiệt động xảy ra theo

hướng san bằng các thông số

cường độ.

1.2.1 Điều kiện cân bằng pha

Trang 18

Các pha khi đạt cân bằng cần thoả mãn những điều kiện sau:

1.2.1 Điều kiện cân bằng pha

Trang 20

1.2.1 ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG PHA

Trang 21

 = 

1.2.1 ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG PHA

Trang 22

Gibbs 1.2 QUY TẮC PHA GIBBS

1.2.2 Thiết lập quy tắc pha Gibbs (1876)

Trang 23

Cơ sở để nghiên cứu muối quan hệ giữa số pha ,

số cấu tử và các thông số bên ngoài tác động lên

hệ khi cân bằng.

Ý nghĩa 1.2 QUY TẮC PHA GIBBS

Trang 24

Khảo sát hệ f pha, k cấu tử, số thông số tác động n = 2

(k+2) dòng

Trang 25

Trang 26

Nội dung

Độ tự do là số thông số biến đổi độc lập mà không làm thay đổi số pha

của hệ

Trang 27

Các dạng giản đồ thường gặp

(P – T) P

T

(T – x)

A

(P – x) P

Trang 28

A V

C (T – x – x)

1.3 CÁCH BIỂU DIỄN GIẢN ĐỒ PHA

1.3.1 Các dạng giản đồ pha

Trang 29

 Biểu diễn thông thường trên trục số.

 Khi giá trị của thông số thay đổi trong một khoảng

khá rộng thì có thể biểu diễn chúng dưới dạng nghịch đảo hay logarit của nó.

1.3.2 Biểu diễn các thông số nhiệt động

Trang 30

1.3.3 Biểu diễn thành phần các cấu tử

Trang 31

Hệ 3 cấu tử 1.3 CÁCH BIỂU DIỄN GIẢN ĐỒ PHA

1.3.3 Biểu diễn thành phần các cấu tử

Trang 32

Nội dung

“Các đường, các mặt trên giản đồ pha biểu diễn sự phụ thuộc giữa các thông số nhiệt động của hệ sẽ liên tục nếu trong hệ không xảy ra

sự chuyển chất, sự thay đổi số pha hoặc dạng các pha“.

1.4 CÁC QUY TẮC GIẢN ĐỒ PHA

1.4.1 Quy tắc liên tục

Trang 33

“Trong điều kiện đẳng nhiệt và đẳng áp, nếu hệ phân

một đường thẳng, đường thẳng này gọi là đường thẳng liên hợp”.

mH = mM + mN

Nội dung 1.4 CÁC QUY TẮC GIẢN ĐỒ PHA

1.4.2 Quy tắc đường thẳng liên hợp

Trang 34

Nếu có ba điểm hệ liên hợp M, N và H thì lượng của

x x

HN

Lượng hệ M

1.4.3 Quy tắc đòn bẩy

Trang 35

Đây là trường hợp mở rộng của qui tắc đòn bẩy, được phát biểu như sau:

Nếu một hệ gồm n hệ con thì điểm biểu diễn của nó phải nằm ở khối tâm vật lý của đa giác có đỉnh là các điểm biểu diễn

của n hệ con.

1.4.4 Quy tắc khối tâm

Trang 36

Khảo sát hệ H chứa ba hệ con H1, H2 và H3 thì H nằm khối tâm vật lý tam giác H1H2H3.

1.4 CÁC QUY TẮC GIẢN ĐỒ PHA

1.4.4 Quy tắc khối tâm

Trang 37

H 2

30 50

Trang 38

 Trạng thái của hệ được xác định bởi ba thông số P, T, V

1.5 GIẢN ĐỒ PHA HỆ MỘT CẤU TỬ

1.5.1 Khái quát CBP hệ một cấu tử

Trang 39

Áp dụng quy tắc pha Gibbs:

C = k - f + 2 = 1 – f + 2 = 3 - f

 Hệ gồm 1 pha nằm cân bằng: c = 3 – 1 = 2  ý nghĩa?

Trang 40

của nước 1.5 GIẢN ĐỒ PHA HỆ MỘT CẤU TỬ

Trang 41

Xét cân bằng pha:

Pha a Pha b

Điều kiện cân bằng pha: Ga = Gb

Bậc tự do: c = 1 – 2 + 2 = 1  tồn tại : T = f(P) Khi ĐK bên ngoài thay đổi :

P  P + dP; T  T + dT  Thiết lập cân bằng mới

Do đó: Ga’ = Gb’

1.5.2 Ảnh hưởng của áp suất đến Tchuyểnpha

Trang 42

- T : Nhiệt độ chuyển pha

- V: biến thiên thể tích

- : nhiệt chuyển pha

λ

V T dP

dT  

dG = -SdT + V.dP thay vào dT/dP =  V/  S;

Mà quá trình chuyển pha :  S =  /T

Trang 43

Nếu  V tính ml;  tính cal (1cal = 41,3ml.atm) thì phương trình Clapeyron – Clausius được viết như sau:

λ 3 , 41

V

T dP

Trang 44

Đối với hệ ngưng tụ (RẮN – LỎNG) các đại lượng

 V,  ,  T ít chịu ảnh hưởng bởi áp suất do đó:

λ

V

T dP

λ

V

T P



Trang 45

 Mô hình:

 Áp dụng phương trình Claypeyron – Clausius I:

V.T

λdT

Plnd



2

)mol/

cal(λP

lgd



Clapeyron – Clausius II

1.5.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến Pbão hòa

Trang 46

 Nếu  thay đổi hẹp trong khoảng nhiệt độ T1  T2: ( const)

2

RT

λdT

Plnd

Trang 47

 Quy tắc Trouton:

22

21 )

K ( T

) mol /

cal ( λ

sôi

 Phương trình Kischiakopski

sôi sôi

Trang 48

Công thức thực nghiệm Crafte (suy ra từ C-C II và quy tắcTrouton) nhằm tính gần đúng nhiệt độ sôi của các chất lân cậnvùng áp suất khí quyển:

 T = C.(P – 760).T = C  P.T

 C = 0,00012: đa số chất

 C = 0,00010: rượu, nước, H2CO3

đối vớc các chất nhiệt độ sô thấp như O …

Trang 49

Xét cân bằng chất lỏng A với hơi của nó (P) khi có mặt các chất khí(P’) khác gây ra áp suất tổng (Pt):

1.5.4 Ảnh hưởng của áp suất tổng đến Pbão hòa

Trang 50

Khi hệ đạt cân bằng: Glỏng = GhơiKhi áp suất tổng thay đổi, hệ sẽ chuyển sang trạng thái mới:

dGlỏng = dGhơiXét điều kiện đẳng nhiệt T = const thì dG = -S.dT + V.dP = V.dPVậy: Vlỏng.dPlỏng = Vhơi.dPhơi

Vì áp suất tác động lên pha lỏng chính là áp suất tổng nên

Plỏng = Pt

Vlỏng.dPt = Vhơi.dPhơiSuy ra:

Trang 51

Vì thể tích pha lỏng ít phụ thuộc vào áp suất, và xem pha hơi làkhí lý thưởng nên:

Trang 52

Khi áp suất tổng thay đổi, hệ sẽ chuyển sang trạng thái mới.Phương trình sử dụng tính toán sự thay đổi áp suất đó:

- Phơi, 1, Phơi,2 : áp suất hơi bão hòa của A ở hai trạng thái

- Pt,1, Pt,2: áp suất tổng hai trạng thái

Trang 53

của nước 1.5 GIẢN ĐỒ PHA HỆ MỘT CẤU TỬ

1.5.5 Một số giản đồ tiêu biểu

Trang 54

1 Ba miền: AOB – rắn, BOC – lỏng và AOC – hơi.

2 Ba đường cân bằng: OA: cân bằng rắn – hơi: đường thăng hoa, OB: cân bằng rắn-lỏng: đường nóng chảy và OC: cân bằng lỏng – hơi: đường bay hơi

3 Điểm ba O: cân bằng ba pha rắn – lỏng – hơi

4 Đường OC’ – đường chậm đông hay đường quá lạnh tức là dưới điều kiện mà vẫn chưa kết tinh

Giản đồ pha của nước

Trang 55

Đường OC - đường hóa hơi hay cân bằng lỏng – hơi Phương trình đường OC là:

RT

λl

/hl

/h

hh

e K

Đường này kết thúc tại C, T>Tc thì sự chuyển pha làliên tục không có giới hạn phân chia pha

Trang 56

Đường OA - đường thăng hoa hay cân bằng rắn – hơi Phương trình đường OA là:

RT

λ r

/ h r

/ h

th

e K

P  

Khi T tăng  P tăng theo hàm mũ và tăng nhanh hơi

Trang 57

Đường OB - đường nóng chảy hay cân bằng rắn – lỏng Phương trình đường OB là:

V T

λ dT

dPngoài nc





Do V < 0 nên hệ số góc đường này âm

Trang 58

Áp dụng quy tắc pha Gibbs:

+ Điểm O

+ Đường OA, OB, OC

+ Vùng AOB; AOC và BOC

Trang 59

Giản đồ pha lưu huỳnh

Trang 60

Giản đồ pha Lưu huỳnh

Trang 61

1 Lưu huỳnh rắn tồn tại hai dạng trực thoi và đơn tà.

2 Các đường nét liền mô tả cân bằng bền giữa các pha còn các đường nét đứt mô tả cân bằng không bền

Trang 62

Giản đồ pha cacbon 1.5 GIẢN ĐỒ PHA HỆ MỘT CẤU TỬ

Trang 63

Trang 64

More than 100 tons of synthetic

diamonds are produced annually

worldwide by firms like Diamond

Innovations (previously part of

General Electric), Sumitomo

Electric, and De Beers

Trang 65

1 Bốn miền: Kim cương, Grafit, lỏng và khí.

2 Đường cong AB là đường cân bằng kim cương – Grafit, như vậy về mặt nhiệt động ở điều kiện thường Grafit bền hơn Kim cương.

Do đó, để chuyển Grafit thành kim cương ở 298K cần P = 2,2.104atm Hoặc 1 điểm nào đó trên giản đồ.a

Trang 66

Một số giản đồ pha hệ một cấu tử khác 1.5 GIẢN ĐỒ PHA HỆ MỘT CẤU TỬ

Trang 67

Trang 68

Trang 69

TÓM TẮT

1 Ảnh hưởng áp suất đến nhiệt độ chuyển pha (Phương trình C – C I):

2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất hơi bão hòa (phương trình C – C II):

3 Ảnh hưởng của áp suất tổng đến áp suất hơi bão hòa:

λ

V.TdP

dT  

2

T.R

λdT

Plnd



T.R

PP

VP

1

2

T

1T

1R

λP

Pln

λ.3,41

V.TdP

dT  

Trang 70

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG VÀ TÍNH TOÁN

GIẢN ĐỒ HỆ BẬC HAI

Số tiết: 9

Trang 71

Nội dung

2.1 Muối kết tinh ở dạng khan 2.2 Muối kết tinh ở dạng tinh thể hydrát bền 2.3 Muối kết tinh ở dạng tinh thể hydrát không bền 2.4 Xây dựng giản đồ từ các giá trị độ tan

2.5 Phương pháp tính toán trên giản đồ độ tan

Trang 72

2.1 GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA MUỐI KẾT TINH

DẠNG KHAN

2.1.1 Phân tích giản đồ

Cấu tạo giản đồ

Trang 73

Quy tắc pha Gibbs

Vùng (1) 1 Lỏng chưa bão hòa 2 Hệ nhị biến

Vùng (2), (3), (4) 2 Lỏng bão hòa, rắn 1 Hệ nhất biến

Đường aeb 2 Lỏng bão hòa, rắn 1 Hệ nhất biến

Đường rr’ 3 Dung dịch rắn, lỏng

AB

0 Hệ vô biến

DẠNG KHAN

Trang 74

Vùng (2), (3), (4) 2 Lỏng bão hòa, rắn 1 Hệ nhất biến

Đường aeb 2 Lỏng bão hòa, rắn 1 Hệ nhất biến

Đường rr’ 3 Rắn A, rắn B,

lỏng AB

0 Hệ vô biến

DẠNG KHAN

Trang 76

Trang 77

DẠNG KHAN

2.1.3 Quá trình bay hơi – hòa tan đa nhiệt

Phép phân tích nhiệt – Quy tắc Taman

Trang 78

DẠNG KHAN

Trang 79

DẠNG KHAN

Hỗn hợp ƠTECTI

Trang 80

DẠNG KHAN

Bài tập 1 Phân tích quá trình đa nhiệt của các điểm 2, 8, 11

Trang 81

DẠNG HYDRAT BỀN

2.2.1 Phân tính giản đồ

Cấu tạo

giản đồ

Trang 82

Vùng (1), (6) 1 Lỏng chưa bão hòa 2 Hệ nhị biến

Vùng (2), (3), (7), (8) 2 Lỏng bão hòa, rắn 1 Hệ nhất biến

Vùng (4), (5), (9), (10) 2 Hai pha rắn 1 Hệ nhất biến

Đường ae 1 d, de 2 b 2 Lỏng bão hòa, rắn 1 Hệ nhất biến

Đường A 1 D 1 , D 2 B 2 3 Hai rắn, lỏng bão

hòa hay lỏng ơtecti

0 Hệ vô biến

Điểm ơtecti e , e 3 0 Hệ vô biến

Trang 83

Trang 84

a

rBd

Trang 85

Trang 86

Bài tập 2 Phân tích quá trình đa nhiệt của các điểm 2, 9

Trang 87

DẠNG HYDRAT KHÔNG BỀN

Cấu tạo

giản đồ

Trang 88

Vùng (6), (7) 2 Lỏng bão hòa, rắn 1 Hệ nhất biến

Đường ae, ePb 2 Lỏng bão hòa, rắn 1 Hệ nhất biến

Đường A 1 H, Pr B 3 Rắn B, rắn D, lỏng

hoặc dd rắn

0 Hệ vô biến

Trang 89

Vùng (6), (7) 2 Lỏng bão hòa, rắn 1 Hệ nhất biến

Đường ae, ePb 2 Lỏng bão hòa, rắn 1 Hệ nhất biến

Đường A 1 H, Pr B 3 Rắn B, rắn D, lỏng 0 Hệ vô biến

Điểm peritecti Rắn B, rắn D, lỏng Hệ vô biến

Trang 90

5

6 7

8

9 10

11 12 13

15

16 17

Trang 91

Trang 92

15

16 17

Bài tập 3 Phân tích quá trình đa nhiệt của các điểm 4, 9, 11

Trang 93

Bài tập 4 Phân tích quá trình đa nhiệt tại Q 1 , Q 2

Yêu cầu:

a Phân tích Q 1 , Q 2

b Tính tại Q’ 1 và Q’ 2 Biết:

29

I'2

Trang 94

2.4.1 Phương pháp tính toán lập giản đồ

2.4 XÂY DỰNG GIẢN ĐỒ TỪ CÁC GIÁ TRỊ ĐỘ

TAN

 Hệ bậc hai công bố trong các tài liệu nghiên cứu và

trong các tạp chí dưới dạng các giản đồ trạng thái

 Xây dựng giản đồ hệ hai cấu tử từ các giá trị độ tan

 Các bảng giá trị độ tan của các chất trong các sổ tay

hóa học thuộc loại bảng này

Trang 95

TAN

Khảo sát bài toán 1-7

trong tài liệu

Trang 96

TAN

Giản đồ

KNO3-H2O

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

A 1

A2

B 1

Trang 97

2.4.2 Phép vẽ đường cong dung dịch bão hòa

Trang 98

2.5 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRÊN

GIẢN ĐỒ

 Phương pháp sử dụng các qui tắc pha;

 Phương pháp sử dụng cấu tử không đổi;

 Phương pháp thiết lập phương trình cân

bằng vật liệu của quá trình.

Ba phương pháp tính toán

Trang 99

Phương pháp sử dụng cấu tử không đổi

Cấu tử cần tìm (%)Cấu tử không biến đổi, % =

X đơn vị khối lượngCấu tử không biến đổi (đơn vị khối lượng)

2.5 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRÊN

GIẢN ĐỒ

Định dạng
Số trang	275
Dung lượng	4,74 MB