Bài giảng Hóa Lý 1 - Chương 4: Lý thuyết cân bằng pha cân bằng pha trong hệ 1 cấu tử - Ngo Thanh An

Nội dung text: Bài giảng Hóa Lý 1 - Chương 4: Lý thuyết cân bằng pha cân bằng pha trong hệ 1 cấu tử - Ngo Thanh An

1. CÂN BẰNG PHA Ví dụ thực tế Sự chuyển pha Tên quá trình Sấy khô Lỏng → Hơi Bay hơi Đọng sương Hơi → Lỏng Ngưng tụ Băng tan Rắn → Lỏng Nóng chảy Kết tinh đường Lỏng → Rắn Đông đặc từ nước mía (Kết tinh) Thăng hoa Iod Rắn → Hơi Thăng hoa 1/8/2023 607010 - Chương 4 2
2. V.1.1. Các khái niệm: pha, hợp phần, cấu tử, bậc tự do Pha - số pha f ➢ Pha là toàn bộ phần đồng thể của hệ nằm ở trạng thái CB có các thông số nhiệt động như nhau. ➢ Các pha trong hệ được phân chia bởi các bề mặt phân chia pha. Nước Hơi Nước đá Nước đá Nước Nước Hệ một pha Hệ hai pha Hệ ba pha f = 1 1/8/2023 f 607010= 2 - Chương 4 f = 3 4
3. ➢ Là các chất hợp thành hệ Hợp phần ➢ Mỗi hợp phần đều có thể tách riêng và tồn tại độc lập ngoài hệ Số hợp phần r Số cấu tử k q Tổng số các Số tối thiểu các Số các phương hợp phần trong hợp phần đủ trình độc lập hệ để tạo ra hệ liên hệ nồng độ các hợp phần ở cân bằng k = r – q 1/8/2023 607010 - Chương 4 6
4. ➢ Là số tối thiểu những thông số Bậc tự do C cần thiết để xác định trạng thái cân bằng của hệ. C = (thông số trạng thái) – (phương trình liên hệ) ➢ Thông số thành phần: Ci hay xi Có 2 loại thông số ➢ Thông số bên ngoài: T, P, V Ví dụ: Đối với 1 chất khí là khí lý tưởng: - 4 thông số trạng thái: T, V, P, n ➔ C = 4 – 1 = 3 - 1 phương trình liên hệ: PV = nRT 1/8/2023 607010 - Chương 4 8
5. Ví dụ: Trong không khí, xét áp suất riêng phần của hơi nước trên nước lỏng và nước đá ở các nhiệt độ: o lỏng rắn Ở O C: PH2O = PH2O = 4,579 mmHg ➔ Hệ đạt cân bằng Ở – 5oC: lỏng PH2O = 3,158 mmHg rắn PH2O = 3,008 mmHg ➔ Hệ không cân bằng: nước lỏng chậm đông sẽ tự chuyển thành nước đá (lỏng → rắn) 1/8/2023 607010 - Chương 4 10
6. Thiết lập công thức Xét trường hợp có hai thông số bên ngoài tác động lên Các điều kiện cân bằng hệ: (T, P) n = 2 pha: T = T = T = = Tf P = P = P = = Pf - Số thông số trạng thái  =   =   = =  f = (k + 2)f 1 1 1 1 (k+2)  =   =   = =  f 2 2 2 2 dòng - Số phương trình liên hệ   f = (k + 2)(f–1)+ f k = k = k = = k → C= (k+2)f –(k + 2)(f –1)–f f thông số ➔ C = k – f + 2 1/8/2023 607010 - Chương 4 12
7. Ví dụ: Xét hệ nước lỏng nằm cân bằng với hơi nước H2O (l) = H2O (h) k = 1; f = 2 ➔ C = k – f + 2 = 1 – 2 + 2 = 1 Ý nghĩa: Hệ là nhất biến. Để hệ vẫn ở trạng thái cân bằng, khi 1 thông số thay đổi, thông số còn lại sẽ phải thay đổi theo liên hệ: T= f(P) 1/8/2023 607010 - Chương 4 14
8. Có các dạng: giản đồ không gian, (P-T), (T-V), (P-V) Giản đồ trạng thái không gian của H2O (P < 200 atm) 1/8/2023 607010 - Chương 4 16
9. Giản đồ (T-V) của H2O 1/8/2023 607010 - Chương 4 18
10. Một giản đồ pha bao gồm: - Các đường: P = f(T), T = f(V), P = f(x) ➔ mô tả sự phụ thuộc của 2 thông số ở điều kiện cân bằng pha - Các mặt: P = f(T, V), P = f(T, xi) ➔ mô tả sự phụ thuộc của 3 thông số ở điều kiện cân bằng pha - Các vùng: ➔ mô tả các pha trong hệ nằm cân bằng với nhau Giản đồ pha là công cụ để nghiên cứu định tính và định lượng các quá trình chuyển pha, từ đó tính toán các thiết bị trong dây chuyền công nghệ hóa học. 1/8/2023 607010 - Chương 4 20
11. Hệ 3 cấu tử 1/8/2023 607010 - Chương 4 22
12. - Quy tắc đòn bẩy: hệ H = hệ H1 + hệ H2 Lượng hệ H gH HH 1 = 1 = 2 Lượng hệ H2 gH2 HH1 C T H1 H H2 H1 H H2 A B x1 x x2 A x1 x x2 B 1/8/2023 607010 - Chương 4 24
13. ➔ Xét đến sự cân bằng giữa các trạng thái tập hợp của 1 chất. Pha lỏng, khí : chỉ có 1 trạng thái tập hợp (trừ khí He) Pha rắn: có thể có nhiều trạng thái tập hợp Sự chuyển pha = sự thay đổi trạng thái tập hợp → thay đổi đột ngột những tính chất của hệ: , CP,V, hiệu ứng nhiệt C = 1 – f + 2 = 3 – f Hệ 1 pha: C = 2 Hệ 2 pha: C = 1 Ý Nghĩa? ( f 3 ) Hệ 3 pha: C = 0 1/8/2023 607010 - Chương 4 26
14. →ø dG = dG, thay dG = -SdT + VdP, ta được: dG = dG -S dT + V dP = -SdT + VdP ( S – S )dT = (V – V )dP SdT = VdP dT V  ➔ = trong đó S = dP S T dT V ➔ Phương trình Clausius–Clapeyron I: = T dP  1/8/2023 607010 - Chương 4 28
15. IV.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất hơi bão hòa Xét hai cân bằng sau : Lỏng = Hơi + hh Rắn = Hơi + th RT Do V >> V , V >> V → V V = h l h r h P (xem khí là khí lý tưởng) ➔ Phương trình Clausius - Clapeyron II : dP  dPln  dPlg  cal = = = ( ) PdT RT 2 dT RT 2 dT4,575. T 2 Các dạng tích phân: P  11 − ln 2 = − − lnPj=+ P = k.e -/RT PRTT1 2 1 RT 1/8/2023 607010 - Chương 4 30
16. Áp dụng phương trình Clausius - Clapeyron II : P  11 ln 2 = − − PRTT1 2 1 - Xác định áp suất hơi bão hòa khi thay đổi nhiệt độ (và ngược lại) - Xác định nhiệt chuyển pha đối với các cân bằng: Lỏng = Hơi Rắn = Hơi 1/8/2023 607010 - Chương 4 32
17. IV.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến nhiệt chuyển pha Nhiệt chuyển pha phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất cân bằng:  = (T,P), ta có phương trình: dV  ln = CP + −  dT T  T P - Cân bằng lỏng - hơi , rắn - hơi, có V Vh RT/P nên: d = C dT P  ln V - Cân bằng rắn - lỏng, rất nhỏ, nên: T P d = C + dTP T 1/8/2023 607010 - Chương 4 34
18. P = k.e -/RT 1/8/2023 607010 - Chương 4 36
19. -Đường BT tuân theo phương trình Clausius–Clapeyron I, có T P =−0,008 → =−125 P T → nên dốc đứng từ trái qua. -Đường CT, AT tuân theo phương trình Clausius–Clapeyron II, dạng hàm số mũ: −−hh//RT thh RT Phh= k12 e P thh = k e - Đường DT là đường kéo dài cuả CT ( giả bền chất lỏng chậm đông) . 1/8/2023 607010 - Chương 4 38
20. IV.3.2. Giản đồ trạng thái của lưu huỳnh 1/8/2023 607010 - Chương 4 40
21. 1/8/2023 607010 - Chương 4 42
22. Supercritical fluid 1/8/2023 607010 - Chương 4 44
23. 1/8/2023 607010 - Chương 4 46