Đang tải... (xem toàn văn)
Xét một hệ dị thể bao gồm nhiều cấu tử và nhiều pha nằm cân bằngvới nhau. Hệ sẽ tồn tại cân bằng pha với 3 điều kiện cân bằng sau:1. Điều kiện cân bằng nhiệt: ở cân bằng, nhiệt độ của tất cả các phaphải bằng nhau2. Điều kiện cân bằng cơ học: ở cân bằng, áp suất tác dụng lên tất cảcác pha bằng nhau3. Điều kiện cân bằng hóa học: ở cân bằng, hóa thế của mỗi cấu tửtrong tất cả các pha phải bằng nhau
CHƯƠNG LÝ THUYẾT CÂN BẰNG PHA I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Điều kiện cân pha: Xét hệ dị thể bao gồm nhiều cấu tử nhiều pha nằm cân với Hệ tồn cân pha với điều kiện cân sau: Điều kiện cân nhiệt: cân bằng, nhiệt độ tất pha phải Điều kiện cân học: cân bằng, áp suất tác dụng lên tất pha Điều kiện cân hóa học: cân bằng, hóa cấu tử tất pha phải I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.2 Một số khái niệm: Pha: tập hợp phần đồng thể hệ, có thành phần hóa học tính chất vật lý, hóa điểm Số pha ký hiệu f Hợp phần: chất hợp thành hệ, hợp chất tách khỏi hệ tồn độc lập hệ Số hợp phần tổng số hợp phần, ký hiệu r Số cấu tử: số tối thiểu hợp phần đủ để tạo hệ, ký hiệu k - Số cấu tử số hợp phần độc lập - Nếu nồng độ chất giữ luôn không đổi số cấu tử giảm Bậc tự do: số thông số nhiệt động độc lập đủ để xác định hệ cân Ký hiệu c I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.3 Quy tắc pha Gibbs: Quy tắc pha Gibbs quy tắc tổng quát áp dụng cho cân pha, cho phép xét định tính mối quan hệ thông số nhiệt động hệ cân dị thể từ tìm mối quan hệ định lượng thông số c = tổng thông số trạng thái – tổng phương trình liên hệ c=k–f+n Trong n hai thông số bên định trạng thái hệ (thường chọn áp suất nhiệt độ) Nên n = Nếu T = const P = const: c = k – f + Nếu T, P = const :c=k-f I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Bài tập Tìm số hợp phần, số cấu tử, số pha độ tự hệ sau: Hơi rượu nguyên chất Benzen lỏng nằm cân với Dung dịch A bão hòa B nằm cân với A rắn áp suất không đổi Dung dịch A B nằm cân với chúng áp suất không đổi Dung dịch chất tan NaCl KCl nước nằm cân với muối NaCl rắn P = const Dung dịch chất tan NaCl KCl nước nằm cân với muối rắn NaCl KCl P = const I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Bài tập Biết kg hỗn hợp phenol – nước với 40% khối lượng phenol bị phân thành hai pha Pha thứ chứa 70% khối lượng phenol pha thứ hai chứa 8% khối lượng phenol Xác định khối lượng pha I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Bài tập Lấy 200 gam hỗn hợp chất lỏng A, B C Biết hỗn hợp chứa 20% khối lượng A cân tách thành lớp: - Lớp thứ có khối lượng 60 gam, chứa 50% A 20% B - Lớp thứ hai có chứa 80% B Hãy xác định thành phần cấu tử lớp I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.4 Giản đồ pha: Giản đồ pha gọi biểu đồ trạng thái biểu đồ mô tả phụ thuộc thông số trạng thái hệ nằm cân pha Giản đồ pha thường bao gồm đường, mặt vùng - Các đường dùng để mô tả phụ thuộc thông số nhiệt động - Các mặt không gian chiều mô tả phụ thuộc thông số nhiệt động - Các vùng giản đồ mô tả hệ có số lượng dạng pha xác định nằm cân Các vùng thường phân chia thành vùng đồng thể vùng dị thể I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.5 Cách biểu diễn giản đồ pha: - Đối với thông số nhiệt độ, áp suất hay thể tích: biểu diễn thông thường trục số Nếu khoảng giá trị rộng biểu diễn chúng dạng nghịch đảo loragit - Biễu diễn thành phần cấu tử: sử dụng phần mol phần trăm khối lượng Để biểu diễn ta dùng thẳng chia 100 phần Khi điểm biểu diễn hệ gần phía cầu tử phần trăm cao - Biểu diễn thành phần cấu tử: sử dụng giản đồ tam giác I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN - Khoảng cách từ đỉnh 10 A 100% tam giác đến cạnh đối diện thể phần trăm cấu 80% tử hỗn hợp 60% 40% 20% B 0% C II CÂN BẰNG PHA CHO HỆ CẤU TỬ 2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến áp suất bão hòa Trong khoảng nhiệt độ tương đối hẹp, ta xem λ số, tính gần theo phương trình P2 λ 1 ln = − ( − ) P1 R T2 T1 10 II CÂN BẰNG PHA CHO HỆ CẤU TỬ 2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến áp suất bão hòa Ví dụ 3: Aceton có áp suất bão hòa 7,7oC 100 mmHg, 39,5oC 400 mmHg Tìm A B phương trình biểu diễn phụ thuộc áp suất bão hòa vào nhiệt độ aceton: A lg P(mmHg ) = + B T a Tính nhiệt độ sôi aceton theo phương trình áp suất khí So sánh với giá trị thực nghiệm 56,5oC b Xác định nhiệt hóa aceton c Xác định nhiệt độ sôi aceton 25 at 11 II CÂN BẰNG PHA CHO HỆ CẤU TỬ 2.4 Ảnh hưởng áp suất tổng đến áp suất bão hòa Xét cân chất lỏng A với có mặt khí khác gây áp suất tổng cộng, song không tan pha lỏng Mối quan hệ áp suất bão hòa áp suất tổng cộng tính theo công thức P2 Vl ( Pt ,2 − Pt ,1 ) ln = P1 RT Trong đó: Vl thể tích riêng pha lỏng, lít/mol P1, P2 áp suất bão hòa nhiệt độ T1 T2 Pt,1 Pt,2 áp suất tổng cộng nhiệt độ T1 T2 , at 12 II CÂN BẰNG PHA CHO HỆ CẤU TỬ 2.4 Ảnh hưởng áp suất tổng đến áp suất bão hòa Ví dụ 4: Ở 30oC, 1at, áp suất benzene tổng 118,5 mmHg, khối lượng riêng 0,8685 g/cm3 Tính áp suất benzene áp suất tổng cộng bên tăng lên đến 20 at 13 II CÂN BẰNG PHA CHO HỆ CẤU TỬ 2.4 Ảnh hưởng áp suất tổng đến áp suất bão hòa Ví dụ 5: Áp suất bão hòa aceton 7,7oC áp suất bên 1at 100 mmHg Thể tích riêng pha lỏng 1,246 ml/g Tính áp suất bão hòa áp suất tổng cộng thay đổi thành 0,6 at 14 II CÂN BẰNG PHA CHO HỆ CẤU TỬ 2.5 Ảnh hưởng nhiệt độ đến nhiệt chuyển pha Phương trình tổng quát thể mối quan hệ nhiệt độ với nhiệt chuyển pha sau: dλ λ ∂ ln ∆V = ∆C p + − λ dT T ∂ T p - Đối với cân lỏng – rắn – ta có viết dλ = ∆C p dT - Đối với cân rắn – lỏng dλ λ = ∆C p + dT T 15 II CÂN BẰNG PHA CHO HỆ CẤU TỬ 2.5 Ảnh hưởng nhiệt độ đến nhiệt chuyển pha Ví dụ 6: Nhiệt nóng chảy kim loại A λnc = 2,6 kcal/mol 271oC, 1at Nhiệt dung riêng pha lỏng pha rắn 6,5 6,2 cal/mol.K a Tính độ biến thiên nhiệt nóng chảy theo nhiệt độ b Xác định nhiệt nóng chảy A 230oC 300oC c Nhiệt độ nóng chảy A nhiệt nóng chảy tăng 2% 16 III NƯỚC VÀ HƠI NƯỚC 3.1 Hơi nước Hơi nước có nhiều ưu điểm so với môi chất khác có nhiều thiên nhiên, rẻ tiền đặc biệt không độc hại với môi trường Do sử dụng nhiều ngành công nghiệp Hơi nước thường sử dụng thực tế trạng thái gần trạng thái bão hòa, bỏ qua thể tích thân phân tử lực hút chúng Vì nước khí thực, dùng phương trình trạng thái khí lí tưởng cho nước Phương trình trạng thái cho nước dùng nhiều phương trình Vukalovich - Novikov 17 III NƯỚC VÀ HƠI NƯỚC 18 III NƯỚC VÀ HƠI NƯỚC 19 3.2 Tính chất nước nước - Tính chất nước bảo hòa phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt Áp Thể tích độ suất riêng, t oC P at v” m3/kg Khối lượng riêng ρ” kg/m3 Nhiệt lượng riêng Nhiệt lượng nước thể riêng nước lỏng thể i’.10-3 J/kg i’ kcal/kg Nhiệt hóa i”.10-3 i” rhh.10-3 rhh J/kg kcal/kg J/kg kcal/kg III NƯỚC VÀ HƠI NƯỚC 20 3.2 Tính chất nước nước - Tính chất nước bảo hòa phụ thuộc vào áp suất Áp Nhiệt Thể tích độ suất riêng, P at t oC v” m3/kg Khối lượng riêng ρ” kg/m3 Nhiệt lượng riêng Nhiệt lượng nước thể riêng nước lỏng thể i’.10-3 J/kg i’ kcal/kg Nhiệt hóa i”.10-3 i” rhh.10-3 rhh J/kg kcal/kg J/kg kcal/kg 21 III NƯỚC VÀ HƠI NƯỚC 22 3.2 Tính chất nước nước - Tính chất nước bảo hòa phụ thuộc vào áp suất Áp Nhiệt Thể tích độ suất riêng, Khối lượng riêng Nhiệt lượng riêng Nhiệt lượng nước thể riêng nước lỏng thể P at t oC v” m3/kg ρ” kg/m3 i’.10-3 J/kg i’ kcal/kg 2,0 119,6 0,903 1,107 502,4 119,9 Nhiệt hóa i”.10-3 i” rhh.10-3 rhh J/kg kcal/kg J/kg kcal/kg 2710 646,9 2208 527,0 III NƯỚC VÀ HƠI NƯỚC 3.2 Tính chất nước nước Ví dụ 7: Tính nhiệt độ sôi nước at, biết nhiệt hóa 538,1 cal/g Hãy so sánh với giá trị thực nghiệm 23 END END [...]... CÂN BẰNG PHA CHO HỆ 1 CẤU TỬ 2.1 Mở đầu 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 Sự chuyển một chất nguyên chất từ trạng thái tập hợp này sang trạng thái tập hợp khác gọi là sự chuyển pha của hệ một cấu tử 2 II CÂN BẰNG PHA CHO HỆ 1 CẤU TỬ Các quá trình chuyển pha 3 II CÂN BẰNG PHA CHO HỆ 1 CẤU TỬ 2.1 Mở đầu... vật lý của đa giác có đỉnh là các điểm biểu diễn của n hệ con 20 I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 21 Bài tập 5 Một hệ H gồm 3 cấu tử A, B và C có khối lượng là 100 gam Hệ H được phân thành 3 pha có các thành phần tương ứng như sau %A %B %C Hệ H 40 20 40 Hệ con H1 70 10 20 Hệ con H2 20 60 20 Hệ con H3 20 20 60 Hãy tính khối lượng của từng hệ con END END CHƯƠNG 6 CÂN BẰNG PHA TRONG HỆ MỘT CẤU TỬ II CÂN BẰNG PHA. .. tắc pha Gibbs ta có: - Nếu hệ gồm 1 pha: c = k – f + 2 = 1 – 1 + 2 = 2 Nghĩa là cả 2 thông số bên ngoài đều có thể thay đổi trong một giới hạn xác định mà hệ vẫn tồn tại 1 pha - Nếu hệ gồm 2 pha: c = 1 – 2 + 2 = 1 Nghĩa là trong 2 thông số bên ngoài chỉ có một thông số độc lập, thông số còn lại là thông số phụ thuộc - Nếu hệ gồm 3 pha: c = 1 – 3 + 2 = 0 Nghĩa là chỉ có thể tồn tại cân bằng của 3 pha trong. .. độ sôi tăng 5 II CÂN BẰNG PHA CHO HỆ 1 CẤU TỬ 2.2 Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ chuyển pha - Với quá trình nóng chảy thì λnc > 0 và đa số các chất có ∆V > 0 nên dT >0 dP Nghĩa là khi áp suất tăng thì nhiệt độ nóng chảy tăng - Đối với nước và một số chất khác thì ∆V < 0 nên dT 0 Như vậy khi nhiệt độ tăng thì áp suất hơi bão hòa tăng theo một hàm số mũ 9 II CÂN BẰNG PHA. .. 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 biến đổi chất, sự thay đổi số pha hoặc dạng các pha V I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 16 1.7 Các quy tắc của giản đồ pha: Quy tắc đường thẳng liên hợp: Trong điều kiện đẳng nhiệt và H = H1+ H2 đẳng áp, nếu một hệ được phân thành 2 hệ con (hoặc tạo thành từ 2 H2 hệ con) thì điểm biểu diễn của 3 hệ này... lượng A và khi cân bằng nó tách thành 2 lớp: - Lớp thứ nhất có khối lượng 60 gam, chứa 50% A và 20% B - Lớp thứ hai có chứa 80% B Hãy xác định vị trí điểm biểu diễn của lớp thứ nhất, lớp thứ hai và vị trí của hệ 3 cấu tử trên giản đồ tam giác đều từ đó xác định thành phần các cấu tử trong mỗi lớp 19 I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.7 Các quy tắc của giản đồ pha: Quy tắc khối tâm Nếu một hệ gồm n hệ con thì điểm... Pt,2 là áp suất tổng cộng ở nhiệt độ T1 và T2 , at 12 II CÂN BẰNG PHA CHO HỆ 1 CẤU TỬ 2.4 Ảnh hưởng của áp suất tổng đến áp suất hơi bão hòa Ví dụ 4: Ở 30oC, 1at, áp suất hơi của benzene tổng là 118,5 mmHg, khối lượng riêng 0,8685 g/cm3 Tính áp suất hơi của benzene khi áp suất tổng cộng bên ngoài tăng lên đến 20 at 13 II CÂN BẰNG PHA CHO HỆ 1 CẤU TỬ 2.4 Ảnh hưởng của áp suất tổng đến áp suất hơi bão hòa... 1 – 3 + 2 = 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) 4 II CÂN BẰNG PHA CHO HỆ 1 CẤU TỬ 2.2 Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ chuyển pha Đối với quá trình chuyển pha ta có phương trình Clausius – Clapeyron I dT T ∆V = dP λ Trong đó: λ là nhiệt chuyển pha - Với quá trình sôi (hóa hơi) thì λhh > 0 và ∆V = Vhơi – Vlỏng >