Основные понятия термодинамики фазовых равновесий. Фазовые равновесия в однокомпонентных системах

Сентябрь 9, 2022

Главная
Химия
Основные понятия термодинамики фазовых равновесий. Фазовые равновесия в однокомпонентных системах

Содержание

2. План 1. Основные понятия теории фазовых равновесий. 2. Фазовые диаграммы однокомпонентных систем 3. Уравнение Клаузиса-Клайперона и
3. 1. Основные понятия теории фазовых равновесий
4. Фаза (Ф) - однородная часть системы, обладающая одинаковым составом, физическими и химическими свойствами, которая может быть
5. В случае однокомпонентных систем понятие «фаза» совпадает с понятием « агрегатное состояние вещества»
6. В случае многокомпонентных систем число жидких фаз равно числу жидкостей различного состава, образующих отдельные слои или
7. Число компонентов (К) – наименьшее количество составляющих веществ, достаточное для определения состава любой фазы системы. Если
9. Фазовые переходы – переход вещества из одной фазы в другую. Фазовые переходы 1-го рода –характеризуются постоянной
10. Молекулярно-кинетические основы фазовых переходов, связанных с изменением агрегатного состояния вещества
11. Фазовые равновесия – равновесия в гетерогенных системах, в которых происходят фазовые переходы. В момент равновесия наблюдается:
13. Температура плавления Тпл, К- температура, которая соответствует фазовому равновесию Т⇄Ж, при постоянном давлении она устанавливается от
14. Возможности перехода вещества из одного фазового состояния в другое определяется правилом фаз Гиббса, которое является выражением
15. Число степеней свободы (С) определяется как число параметров системы (температура, давление и др.), которые могут быть
16. ДЗ: Вывод правила фаз Гиббса (Н.Н. Мушкамбаров Физическая и коллоидная химия. С. 66 – 67)
17. Правило фаз Гиббса позволяет определить максимальное число фаз в момент равновесия; определить наименьшее число параметров, необходимых
18. Фазовые диаграммы – графическое изображение условий фазовых равновесий. Фазовые диаграммы изображают в координатах Р— Т—х, где
19. В основе анализа диаграмм лежат два принципа: 1) принцип непрерывности: при непрерывном изменении параметров, определяющих состояние
20. 2. Фазовые диаграммы однокомпонентных систем и их анализ.
21. Примером однокомпонентной системы может служить простое вещество или химическое соединение, обладающее строго определенным составом во всех
22. Способы измерений давления пара 1) Для малолетучих веществ часто пользуются методом увлечения., заключающимся в том, что
23. Способы измерений давления пара 3) К веществам средней летучести применяют динамический метод, основанный на том, что
24. Схема установки для изучения зависимости давления пара от температуры : 1 – термостат; 2 – колба
25. При изучении зависимости давления насыщенного пара от температуры получится следующая фазовая диаграмма воды (К=1). На фазовой
26. Линия ОС — линия испарения (Ж ⇄ Г). она выражает зависимость давления насыщенного пара над жидкой
27. Линия OB — кривая плавления (Т ⇄ Ж). При р=760 мм. рт. ст. плавление льда начинается
28. Анализ на основе правила фаз Гиббса: Если фигуративная точка лежит в плоскости между линиями, то система
29. В некотором смысле различие между жидкостью и паром является скорее условным, чем реальным. Когда жидкость превращается
30. Аналогичные фазовые диаграммы можно построить для всех веществ:
31. 3. Уравнение Клаузиса – Клайперона и анализ на его основе фазовой диаграммы воды
32. ДЗ: Вывод уравнения Клаузиса-Клайперона (Н.Н. Мушкамбаров Физическая и коллоидная химия. с74-75.)
33. Уравнение Клаузиса-Клайперона –уравнение, которое описывает ход кривых на диаграмме состояния однокомпонентных систем. где ΔH — теплота
34. Уравнение Клайперона- Клаузиса позволяет определять наклоны кривых равновесия. Наклон задается знаком (V2-V1), так как ΔH и
35. Применение уравнения Клаузиса –Клайперона к равновесиям Ж⇄Г,Т⇄Г При изучении процессов испарения и возгонки в первую очередь
36. В любой точке линии равновесия любых двух фаз, начерченной в координатах Т- р тангенс угла наклона
37. Для количественных расчетов уравнение Клаузиса –Клайперона интегрируют и получают следующие уравнение в интегральной форме. Для этого
38. Интегрируя это уравнение в не очень широком интервале температур, будем считать, что в этом интервале ΔH
40. 2). Определенное интегрирование На основе интегрированного уравнения можно определить: давление насыщенного пара при различных температурах, если
41. Если тепловой эффект фазового перехода зависит от температуры ΔH ф.п. =f (Т) , то применяют уравнение
42. Применение уравнения Клаузиса –Клайперона к равновесиям Т⇄Ж В этом случае уравнение Клаузиса-Клайперона примет вид: ΔHпл>0, ΔТпл>0,
44. Скачать презентацию

Слайд 2

План
1. Основные понятия теории фазовых равновесий.
2. Фазовые диаграммы однокомпонентных систем

3. Уравнение Клаузиса-Клайперона и его использование для анализа фазового равновесия.

Слайд 3

1. Основные понятия теории фазовых равновесий

Слайд 4

Фаза (Ф) - однородная часть системы, обладающая одинаковым составом, физическими и

химическими свойствами, которая может быть удалена из системы чисто механическим путем. При Ф=1 – отсутствуют поверхности раздела, поэтому систему называют гомогенная, при Ф=2, >2 – система гетерогенная, т.к. будет иметь поверхности раздела фаз.

Слайд 5

В случае однокомпонентных систем понятие «фаза» совпадает с понятием « агрегатное

состояние вещества»

Слайд 6

В случае многокомпонентных систем число жидких фаз равно числу жидкостей различного

состава, образующих отдельные слои или разбитых на капли. Число твердых фаз в многокомпонентных системах равно числу типов кристаллов. Газы как правило при низких давлениях смешиваются в любых соотношениях образуя одну фазу.

Слайд 7

Число компонентов (К) – наименьшее количество составляющих веществ, достаточное для определения

состава любой фазы системы.
Если система состоит из веществ, не вступающих в х.р., число компонентов равно числу составляющих веществ, т.к. все вещества должны быть использованы для построения фаз системы (К=К0).
Если в системе протекает х.р., то число компонентов определяют путем вычитания из общего числа составляющих веществ числа уравнений, связывающих концентрации этих веществ. К=К0-х

Слайд 8

Слайд 9

Фазовые переходы – переход вещества из одной фазы в другую.
Фазовые

переходы 1-го рода –характеризуются
постоянной температурой (Т=const)
скачкообразным изменением S и V
Примеры: возгонка или сублимация(Т→ Г); испарение, кипение (Ж→ Г); плавление(Т →Ж), (Г→Ж,Т); кристаллизация (Ж→Т)),
, полиморфные превращения Sмон→Sромб .

Фазовые переходы 2-го рода характеризуются
(S,V=const)
скачкообразным изменением теплоемкости
Примеры: полиморфные превращения αFe → γ Fe

Слайд 10

Молекулярно-кинетические основы фазовых переходов, связанных с изменением агрегатного состояния вещества

Слайд 11

Фазовые равновесия – равновесия в гетерогенных системах, в которых происходят фазовые

переходы. В момент равновесия наблюдается:
равенством температур (ТА=ТВ);
равенством давлений (РА=РВ);
равенством химических потенциалов (μ А=μВ).

Фаза А

Фаза В

Слайд 12

Слайд 13

Температура плавления Тпл, К- температура, которая соответствует фазовому равновесию Т⇄Ж, при

постоянном давлении она устанавливается от появления первой капли жидкости до полного перехода вещества в жидкое состояние
Температура кипения Ткип, К- температура, которая соответствует фазовому равновесию Ж⇄Г, при постоянном давлении она устанавливается при появлении первых пузырьков газа, до полного перехода жидкости в газ.
Давление насыщенного пара Р, кПа - давление пара, при котором при данной температуре в системе Ж⇄Г или Т⇄Г наступает динамическое равновесие.

Слайд 14

Возможности перехода вещества из одного фазового состояния в другое определяется правилом

фаз Гиббса, которое является выражением II закона термодинамики в приложении к фазовым равновесиям.
число степеней свободы равновесной термодинамической системы, на которую влияют температура и давление(2 фактора), равно числу независимых компонентов системы минус число фаз плюс n:
С = К - Ф + 2, где С — число степеней свободы; К — число компонентов; Ф — число фаз; 2 —число внешних условий, которые определяют число фаз системы.

Слайд 15

Число степеней свободы (С) определяется как число параметров системы (температура, давление

и др.), которые могут быть произвольно изменены в некоторых пределах без изменения числа и природы фаз в системе. По числу степеней свободы различают следующие виды систем: инвариантные (С=0), моновариантные (С=1), дивариантные (С=2) и т.д.).

Слайд 16

ДЗ: Вывод правила фаз Гиббса
(Н.Н. Мушкамбаров Физическая и коллоидная химия. С.

66 – 67)

Слайд 17

Правило фаз Гиббса позволяет
определить максимальное число фаз в момент равновесия;
определить

наименьшее число параметров, необходимых для описания любого состояния системы.

Слайд 18

Фазовые диаграммы – графическое изображение условий фазовых равновесий. Фазовые диаграммы изображают

в координатах Р— Т—х, где х — мольные доли компонентов. Такой выбор координат обусловлен переменными в уравнении состояния, а также тем, что давление и температура — реальные параметры, которые влияют на состояние равновесия и которые можно непосредственно изменять. В случае однокомпонентных систем х = 1 и фазовые диаграммы представляются в координатах Р— Т.
В связи с трудностями теоретического расчета диаграмм для их построения используют экспериментальные данные.

Слайд 19

В основе анализа диаграмм лежат два принципа:
1) принцип непрерывности: при непрерывном

изменении параметров, определяющих состояние системы, свойства отдельных фаз также меняются непрерывно, свойства же всей системы в целом меняются непрерывно только до тех пор, пока не меняется число или природа фаз. При образовании новых фаз или исчезновении старых свойства системы меняются скачкообразно;
2) принцип соответствия: на диаграмме состояния каждому комплексу фаз и каждой фазе в отдельности соответствует свой геометрический образ: плоскость, линия, точка.

Слайд 20

2. Фазовые диаграммы однокомпонентных систем и их анализ.

Слайд 21

Примером однокомпонентной системы может служить простое вещество или химическое соединение, обладающее

строго определенным составом во всех агрегатных состояниях (Н2О, S, СО2).
К=1, n=2, следовательно С = 3 - Ф.
Если Ф=1, то С = 2, то в такой системе можно произвольно менять любые два параметра, при этом фазовое состояние системы изменяться не будет.
Если Ф=2, то С = 1, следовательно для сохранения фазового равновесия можно менять либо Т, либо только р, а второй параметр будет принимать некоторое зависимое значение.
Если Ф=3, то С=0, следовательно изменение любого параметра выводит систему из такого состояния.

Слайд 22

Способы измерений давления пара
1) Для малолетучих веществ часто пользуются методом увлечения.,

заключающимся в том, что над поверхностью жидкости медленно пропускают сухой газ, например, воздух, который при этом насыщается парами. Увлеченные газом пары улавливают подходящим способом (пары воды, например, хлоридом кальция), а по объему пропущенного газа и массе уловленного пара вычисляют давление пара по уравнению Менделеева — Клапейрона.
2) Для летучих веществ применяют статический способ, который состоит в измерении манометром давления пара над жидкостью в замкнутом пространстве, откуда предварительно удалены посторонние газы и пары.

Слайд 23

Способы измерений давления пара
3) К веществам средней летучести применяют динамический метод,

основанный на том, что давление насыщенного пара при температуре кипения равно внешнему давлению. Зависимость между р и Т получают, доводя жидкость до кипения при различных внешних давлениях и определяя температуры кипения. В этом случае независимой переменной, устанавливаемой по желанию экспериментатора, является внешнее давление, а зависимой – Ткип, устанавливающаяся без вмешательства экспериментатора.
4) Для очень труднолетучих веществ применяют высокочувствительные мемьранные или ионизационные манометры.

Слайд 24

Схема установки для изучения зависимости давления пара от температуры : 1

– термостат; 2 – колба с исследуемой жидкостью; 3 – термометр; 4 – обратный холодильник; 5 – вакуумметр; 6 – кран

Слайд 25

При изучении зависимости давления насыщенного пара от температуры получится следующая фазовая

диаграмма воды (К=1).

На фазовой диаграмме три области, а следовательно вода может находится трех фазах: твердой (область АОВ), жидкой (ВОС) и газообразной (АОС).

Слайд 26

Линия ОС — линия испарения (Ж ⇄ Г). она выражает зависимость

давления насыщенного пара над жидкой водой от температуры :чем выше температура, тем больше давление насыщенного пара.
Линия АО — кривая возгонки (Т ⇄ Ж), она показывает зависимость давления насыщенного пара над льдом при повышении температуры: чем выше температура, тем выше давление насыщенного пара над льдом.

Слайд 27

Линия OB — кривая плавления (Т ⇄ Ж). При р=760 мм.

рт. ст. плавление льда начинается при 0оС (точка К). Наклон этой линии показывает, что с ростом Р температура плавления воды несколько понижается. Следовательно кривая выражает зависимость Тпл от Р.
Точка О – тройная точка. Ее координаты Т=0,01оС, Р=4,6 мм.рт. ст.
(Ж ⇄ Т ⇄ Г)

Слайд 28

Анализ на основе правила фаз Гиббса:
Если фигуративная точка лежит в

плоскости между линиями, то система однофазна: К=1;Ф=1.
Если фигуративная точка лежит на линии, то система двухфазна (равновесие тех двух фаз, которые разделяются этой линией): К = 1; Ф = 2. С = 1 - 2 + 2 = 1
Если фигуративная точка лежит в точке О — тройной точке, то система трехфазна: K=;1;Ф=3;C=1-3+2=0;

Слайд 29

В некотором смысле различие между жидкостью и паром является скорее условным,

чем реальным. Когда жидкость превращается в пар, нам кажется привычным видеть две разные фазы вещества, отделенные друг от друга мениском жидкости. Но при высоких температурах и давлениях плотность пара достигает плотности жидкости и различие между фазами пропадает. Условия, при которых это происходит, называются критическим давлением, Ркрит, и критической температурой, Ткрит. При давлениях, больших Ркрит, твердое вещество при плавлении переходит во флюид (текучую фазу) и при дальнейшем повышении температуры второго фазового перехода уже не происходит

Слайд 30

Аналогичные фазовые диаграммы можно построить для всех веществ:

Слайд 31

3. Уравнение Клаузиса – Клайперона и анализ на его основе фазовой

диаграммы воды

Слайд 32

ДЗ: Вывод уравнения Клаузиса-Клайперона (Н.Н. Мушкамбаров Физическая и коллоидная химия. с74-75.)

Слайд 33

Уравнение Клаузиса-Клайперона –уравнение, которое описывает ход кривых на диаграмме состояния однокомпонентных

систем.

где ΔH — теплота фазового перехода при температуре Т и давлении р; V2 и V1—мольные объемы сосуществующих фаз.

Слайд 34

Уравнение Клайперона- Клаузиса позволяет определять наклоны кривых равновесия. Наклон задается знаком

(V2-V1), так как ΔH и T положительны.
При испарении жидкостей и сублимации объем вещества всегда возрастает, поэтому dр/dT>0, т.е. в этих процессах повышение температуры приводит к увеличению давления и наоборот.
При плавлении большинства веществ объем, как правило, возрастает, т.е. dр/dT>0; следовательно, увеличение давления приводит к повышению температуры плавления. Для некоторых веществ (вода и др.) объем жидкой фазы меньше объема твердой фазы, т.е. dр/dT<0; следовательно, увеличение давления сопровождается понижением температуры плавления. Кривая в этом случае имеет отрицательный наклон

Слайд 35

Применение уравнения Клаузиса –Клайперона к равновесиям Ж⇄Г,Т⇄Г
При изучении процессов испарения

и возгонки в первую очередь возникает вопрос: как влияет повышение температуры на давление насыщенного пара над конденсированной фазой.

Слайд 36

В любой точке линии равновесия любых двух фаз, начерченной в координатах

Т- р тангенс угла наклона касательной к оси температур равен dр/dT

Слайд 37

Для количественных расчетов уравнение Клаузиса –Клайперона интегрируют и получают следующие уравнение

в интегральной форме. Для этого делают два допущения:
1) система находится при температурах, много меньших критической температуры. В этих условиях Vпар>>Vж, следовательно V2-V1≈ Vпар;
2) считать, что давление насыщенного пара мало, а следовательно описывается уравнением Менделеева – Клайперона. Откуда Vпар = RT/р.

Слайд 38

Интегрируя это уравнение в не очень широком интервале температур, будем считать,

что в этом интервале ΔH ф.п.≈ соnst.
1) Неопределенное интегрирование дает нам следующее выражение:

Формула означает линейную зависимость логарифма насыщенного пара от обратной температуры. Ее часто преобразуют в выражение: ln p =A -B/T, где А =const/2,3;B=∆H/2,3R= ∆H/19,15

Слайд 39

Слайд 40

2). Определенное интегрирование
На основе интегрированного уравнения можно определить:
давление насыщенного пара

при различных температурах, если известно давление насыщенного пара хотя бы при одной температуре;
ΔH, если известны р1, р2, Т1, Т2.

Слайд 41

Если тепловой эффект фазового перехода зависит от температуры
ΔH ф.п.

=f (Т) , то применяют уравнение Кирхгоффа.

Слайд 42

Применение уравнения Клаузиса –Клайперона к равновесиям Т⇄Ж
В этом случае уравнение Клаузиса-Клайперона

примет вид:

ΔHпл>0, ΔТпл>0, ΔV >0 ( для большинства веществ), ΔV <0 (для воды)

ΔV= Vж- Vтв, где V- мольные объемы