Xreferat.com » Рефераты по химии » Фазовые равновесия

Фазовые равновесия

и произведение давления на изменение объема. Для этой цели полезно рассчитать множитель для перевода кал в л • атм:


Фазовые равновесия


5. Уравнение Клаузиуса — Клапейрона


Клаузиус показал, как можно упростить уравнение Клапейрона для случаев испарения и возгонки, исходя из предположения, что пар подчиняется закону идеального газа и что мольным объемом жидкости Фазовые равновесия(ж) по сравнению с мольным объемом пара Фазовые равновесия (пар) можно пренебречь. Например, для воды при 100° V(пар) =30.2 л а V(ж)=0,0188 л. Подставляя RT/Р вместо V (пар), получим


Фазовые равновесия (28)


После преобразования выражение принимает вид:


Фазовые равновесия (29)

Фазовые равновесия (30)


Интегрирование в предположении, что Фазовые равновесия не зависит от температуры, дает:


Фазовые равновесия (31)

Фазовые равновесия (32)

Фазовые равновесия (33)


где С — константа интегрирования.

Теперь очевидна теоретическая основа эмпирического соотношения Фазовые равновесия. Уравнение (32) представляет собой уравнение прямой линии, если рассматривать lnР как функцию Фазовые равновесия. Тангенс угла наклона прямой равен Фазовые равновесия а при использовании десятичных логарифмов он равен Фазовые равновесия. Таким образом, теплоту испарения можно рассчитать с применением выражения


Фазовые равновесияФазовые равновесияФазовые равновесияФазовые равновесия (34)


Часто удобнее пользоваться уравнением, полученным при интегрировании в пределах Р2, Т2 и Р1, Т1:


Фазовые равновесия (35)

Фазовые равновесия (36)

Фазовые равновесия (37)


По этому уравнению можно рассчитать теплоту испарения, исходя из давления равновесного пара при двух различных температурах; если известны теплота испарения и давление пара при одной температуре, можно рассчитать давление пара при другой температуре при условии, что Фазовые равновесия остается постоянной. Давление можно выразить в любых единицах, но эти единицы должны быть одинаковыми для обоих давлений. Точно так же можно выбрать любые единицы энергии при условии, чтоФазовые равновесияи R будут выражены в одинаковых единицах. Изменение давления пара твердого вещества с температурой можно выразить с помощью уравнения (37) при условии, что температурный интервал не слишком широк. Вследствие того, что теплота возгонки твердого вещества больше, чем теплота испарения соответствующей жидкости, давление пара твердого вещества быстрее изменяется с температурой, чем давление пара соответствующей жидкости, и кривая идет круче. Дифференциальное выражение (28) можно применять, если изменения температуры и давления малы. Например, удобно пользоваться следующей формулой для внесения поправок в температуру кипения при колебаниях атмосферного давления:


Фазовые равновесия (38)


Так как уравнение (37) для расчета теплоты испарения выведено в предположении, что пар есть идеальный газ, то результаты, получаемые при пользовании этим уравнением, не более точны, чем расчеты, в которые входит уравнение Фазовые равновесия.

Другое приближение содержит допущение о том, что теплота испарения не зависит от температуры. Однако в широком интервале температур графики зависимости lgP от 1/Т несколько искривлены, потому что Фазовые равновесия меняется с температурой. В этом случае можно рассчитать теплоту испарения для какой-нибудь определенной температуры из наклона кривой путем проведения касательной к этой кривой при заданной температуре. Уравнение для давления равновесного пара, которое дает линейное изменение Фазовые равновесияс температурой, можно вывести следующим образом. Согласно уравнению Фазовые равновесия зависимость мольной теплоты испарения Фазовые равновесия от температуры выражается уравнением


Фазовые равновесия (39)


где Фазовые равновесия - гипотетическая теплота испарения при абсолютном нуле. В предположении, что Фазовые равновесия не зависит от температуры,


Фазовые равновесия


Так как разность Фазовые равновесия отрицательна, Фазовые равновесия уменьшается по мере повышения температуры. Именно этого можно было ожидать на основании молекулярно-кинетических представлений, потому что жидкость с повышением температуры расширяется, вследствие этого расстояние между молекулами увеличивается и для их отрыва при образовании пара требуется меньше энергии.

Подставляя Фазовые равновесия в уравнение (30), получим


Фазовые равновесияФазовые равновесия (40)


Тогда неопределенный интеграл этого выражения равен:


Фазовые равновесия (41)

Фазовые равновесия (42)


Для определения трех констант А,В,С нужно решить систему из трех уравнений, при составлении которой необходимы точные данные при трех температурах. Уравнение (42) применимо в более широком интервале температур, чем уравнение (32), однако и оно не является точным, поскольку отклонение свойств пара от свойств идеального газа приводит к заметной ошибке, которая не учитывается при выводе уравнения.

6. Практическая часть


6.1 Вопросы


Каким правилом выражается связь между числом степеней свободы, числом фаз и числом компонентов в гетерогенной системе?

Дать понятия: гетерогенная система, фаза, составляющее вещество системы.

С помощью какого уравнения выражается связь между основными термодинамическими параметрами однокомпонентной двухфазной системы, находящейся в состоянии равновесия? Вывести это уравнение.

Свяжите составы жидкости и ее пара с общим давлением и парциальным давлением пара.

Интерпретируйте диаграмму температура – состав и используйте для ее определения поведение смеси при дистилляции.

Справедливо ли уравнение Клапейрона – Клаузиуса для фазовых переходов между твердым и газообразным агрегатными состояниями вещества? Аргументируйте свой ответ.

Что характеризует число степеней свободы равновесной термодинамической системы?

Сформулируйте основной закон фазового равновесия. Как классифицируются системы?

Охарактеризуйте однокомпонентные гетерогенные системы. Диаграмма состояния воды. Кстати, что такое фазовая диаграмма?

Что такое моно- и энантиотропные фазовые переходы? Охарактеризовать каждый из них.


6.2 Задачи


Температура кипения ртути под нормальным атмосферным давлением 357Фазовые равновесия. Теплота парообразования 283,2 Дж/г. Определить изменение упругости пара ртути при изменении температуры на 1Фазовые равновесия вблизи температуры кипения ртути под нормальным атмосферным давлением.

Решение: используем формулу Фазовые равновесияоткуда


Фазовые равновесия,


где Фазовые равновесия - мольная теплота испарения. Находим


Фазовые равновесия; Т=630К Фазовые равновесия.


Давление паров воды при 97Фазовые равновесия равно 90919,9 Фазовые равновесия, а при 103Фазовые равновесия 112651,8Фазовые равновесия. Определить давление паров воды при 110Фазовые равновесия(Р110).

Решение: Из формулы


Фазовые равновесия,


где Фазовые равновесия - упругости паров, рассчитаем Фазовые равновесия.


Фазовые равновесия

Фазовые равновесия

Фазовые равновесия


Определим Фазовые равновесия, используя полученное значение Фазовые равновесия и Фазовые равновесия при Фазовые равновесия (К).


Фазовые равновесия


Сравним с табличной величиной Фазовые равновесия.

3. Удельная теплота плавления нафталина при его нормальной температуре плавления 79,9Фазовые равновесия равна 149,25 Дж/г. Разность удельных объемов в жидком и твердом состояниях при температуре плавления Фазовые равновесия 0,146Фазовые равновесия. Определить изменение температуры плавления нафталина при увеличении давления в 100 раз по сравнению с нормальным атмосферным давлением (101,325Фазовые равновесия).

Решение: Используя уравнение Фазовые равновесия, т.к. давление дано в Фазовые равновесия, то изменение удельного объема нужно выразить в Фазовые равновесия, а теплоту плавления в Дж/кг. Поскольку Фазовые равновесия - разность удельных объемов, то вместо мольной теплоты плавления можно взять удельную теплоту плавления (Дж/кг).


Фазовые равновесия


Изменение температуры плавления Фазовые равновесия при увеличении давления в 100 раз по сравнению с нормальным атмосферным давлением (т.е. при 1,013Фазовые равновесияФазовые равновесия)=3,453Фазовые равновесияФазовые равновесия=3,5Фазовые равновесия.

4. Докажите, что на диаграмме “давление – температура” линии равновесия жидкость – пар в однокомпонентной системе всегда должна иметь положительный наклон.

Решение:


Фазовые равновесия

Фазовые равновесия и Фазовые равновесия, поэтому

Фазовые равновесия


5. Как изменится точка кипения воды (100Фазовые равновесия) при изменении атмосферного давления на 1 мм рт.ст.? При 100Фазовые равновесия и 1 атм. теплота испарения воды 539,7 Фазовые равновесия , мольный объем жидкой воды 18,78 мл, мольный объем пара 30,19 литров.

Решение:


Фазовые равновесия

ОтсюдаФазовые равновесия.


6. Плотность твердого фенола 1072 Фазовые равновесия, жидкого 1056 Фазовые равновесия, теплота его плавления 1,044Фазовые равновесия Дж/кг, температура замерзания 314,2 К. Вычислите dP/dT и температуру плавления фенола при 5,065 Фазовые равновесия Па.

Решение: по уравнению Клапейрона – Клаузиуса рассчитываем dP/dT:


Фазовые равновесия


Чтобы вычислить температуру плавления при заданном внешнем давлении, принимаем, что dT/dP в интервале давлений 1,0132Фазовые равновесия -5,065Фазовые равновесия Па – величина постоянная, равная 4,214Фазовые равновесияК/Па. Тогда


Фазовые равновесия и Фазовые равновесия.


7. Для каждой из следующих систем установить число компонентов

а) Фазовые равновесия

б) Фазовые равновесиягде парциальное давление NH3 не обязательно равно парциальному давлению HCl.

в) Фазовые равновесия

г) Фазовые равновесия где СаО и СО2 образуется при распаде СаСО3 (крист).

Решение:


а) Фазовые равновесия

б) Фазовые равновесия

в) Фазовые равновесия

г) Фазовые равновесия


То, что СаО и СО2 присутствуют в стехиометрически равных Количествах, в данном случае не учитывается, т.к. это не влияет на состав фазы. Независимо от соотношения СаО и СО2 состав газообразной фазы всегда 100% СО2 , а состав тв. фазы всегда 100% СаО.

8. Данные по давлению паров чистых хлорбензола и воды даны в таблице.


t, Фазовые равновесия

pФазовые равновесия H2O,мм. рт. ст.

pФазовые равновесия С6Н5Сl, мм рт. ст.

50 93 42
60 149 66
70 234 98
80 355 145
90 526 208
100 760 293
110 1075 403

а) Приняв, что хлорбензол и вода в жидком состоянии полностью не смешиваются друг с другом, определить температуру, при которой хлорбензол будет перегоняться с паром при общем давлении 1 атм.

б) Каково будет содержание (вес. %) хлорбензола в дистиллате?

Решение: а) Построим график зависимости Фазовые равновесия от t (кривая 1) и график зависимости Фазовые равновесия от t (кривая 2). Исходя из этого графика, для нескольких температур откладываем Фазовые равновесия и Фазовые равновесия, и строим зависимость (Фазовые равновесия+Фазовые равновесия) от t (кривая 3). Кривая 3 описывает зависимость общего давления пара системы С6Н5Сl - H2O от температуры. Температурой кипения системы С6Н5Сl - H2O будет температура, при которой Фазовые равновесия+Фазовые равновесия=760 мм рт. ст. Как видно из графика (кривая 3), это условие выполняется при t=91,2 Фазовые равновесия.


Фазовые равновесия


б) Фазовые равновесия; А= С6Н5Сl, В= H2O. Температура кипения 92,1Фазовые равновесия

Фазовые равновесиямм рт. ст.; Фазовые равновесиямм рт. ст.; МА=113; МВ=18,0;

Фазовые равновесия


9. Используя приведенные ниже данные, постройте диаграмму для системы хлористый натрий (S) – вода (W). Примите, что твердые растворы не образуются. Обозначьте все области.


Температура замерзания, Фазовые равновесия

Состав насыщенного раствора, вес. % NaCl Твердая фаза
0 0 W
-0,4 0,69 W
-0,8 1,35 W
-2,86 4,7 W
-3,42 5,53 W
-6,6 9,90 W
-9,25 13,0 W
-12,7 16,7 W
-16,66 20,0 W
-21,12(эвтектика) 23,1

Фазовые равновесия

-14 24,6

Фазовые равновесия

+0,1(перитектика) 26,3

Фазовые равновесия

10,0 26,34 S
15,0 26,34 S
20,0 26,40 S
30,0 26,52 S
40,0 26,67 S
60,0 27,07 S
80,0 27,55 S
100,0 28,15 S

Решение: Построим диаграмму


Фазовые равновесия


10. Докажите, что для системы, изображенной на рисунке, при равновесии


Фазовые равновесия


Фазовые равновесия


W1 вес фазы 1, W2 – вес фазы 2, х1 –вес. % В в фазе 1, х2 – вес. % В в фазе 2; хТ – вес. % В во всей системе.

Решение: Пусть WТ – общий вес всей системы. Тогда


Фазовые равновесия

Фазовые равновесия.


Заключение


В введении основное внимание уделялось основным определениям фазового равновесия. Далее в работе были рассмотрены правило фаз Гиббса, равновесные состояния при фазовых переходах. К ним относятся: равновесие газ – жидкий раствор в двухкомпонентных системах; равновесие жидкость—жидкость в двухкомпонентных системах; равновесие пар—жидкий раствор в двухкомпонентных системах с ограниченной и неограниченной взаимной растворимостью жидкостей; равновесие пар—жидкий раствор в системах с взаимно нерастворимыми жидкостями. Также было рассмотрено Уравнение Клаузиуса — Клапейрона, в котором Клаузиус показал, как можно упростить уравнение Клапейрона для случаев испарения и возгонки, исходя из предположения, что пар подчиняется закону идеального газа и что мольным объемом жидкости Фазовые равновесия(ж) по сравнению с мольным объемом пара Фазовые равновесия (пар) можно пренебречь. В практической части к данной теме были задано ряд вопросов и 10 задач с решениями.

Библиографический список


Даниэльс «Физическая химия», Фаррингтон, Олберти; 1978г

К. С. Краснов «Физическая химия» том I, Москва «Высшая школа» 2001г

Д. Г. Кнорре «Физическая химия», Л. Ф. Крылова, В. С. Музыкантов; Москва «Высшая школа» 1990 г

ru..

Лабовиц «Задачи по физической химии с решениями», Аренс; 1972 г

Захарченко «Сборник задач и упражнений по физической и коллоидной химии» 1978 г

И. И. Климов «Сборник вопроов и задач по физической и коллоидной химии», А. И Филько; 1975 г

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: