Chương 3: Sự chuyển pha trong hệ một chất nguyên chất | Bài giảng môn Hóa lý | Đại học Bách khoa hà nội

Cân bằng pha trong hệ 1 chất nguyên chất: cân bằng giữa các trạng thái tập hợp của chất đó. Tài liệu trắc nghiệm môn Hóa lý giúp bạn tham khảo, ôn tập và đạt kết quả cao. Mời bạn đọc đón xem!

16 8 lượt tải Tải xuống
Chia sẻ Báo cáo tài liệu

Môn: Hóa lý 2 (CH3061)

Trường: Đại học Bách Khoa Hà Nội

Thông tin:

34 trang 1 tháng trước

Tác giả:

Profile Lê Na
LOGO
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Bộ môn Hóa lý, Viện Kỹ thuật Hóa học
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Email: mai.nguyenthituyet1@hust.edu.vn
HÓA LÝ I
1
Chương 3. SỰ CHUYỂN PHA TRONG
HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
1. Sự chuyển pha loại một
2. Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ chuyển pha
Phương trình Clausius Clapeyron I
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất hơi bão hòa
Phương trình Clausius Clapeyron II
4. Giản đồ pha hệ một chất nguyên chất
HÓA LÝ I
2
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
3
1. Tại sao khi nấu ăn trên núi thức ăn lâu chín hơn so với khi
nấu ở vùng đồng bằng ?
2. Tại sao nấu trong nồi áp suất thì đồ ăn nhanh chín hơn ?
3. Làm cách nào để sấy khô vật chất (đường, muối, thức ăn,
trái cây, tinh dầu…) mà không làm nóng chảy/phân hủy
chúng ?
Câu hỏi thảo luận
4
C
P
V
Nhiệt độ
Chuyển pha loại 1
(thường gặp: nóng chảy,
kết tinh, ngưng tụ, bay hơi)
Chuyển pha loại 2
(KL thông thường →chất
siêu dẫn ở nhiệt độ thấp
Fe thuận từ → Fe nghịch từ)
Chuyển pha loại 1: thay đổi nhảy vọt các thông số nhiệt động
1. Sự chuyển pha loại 1
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
1. Sự chuyển pha loại 1
Hệ 1 chất nguyên chất:
• Kh/lng: 1 pha (trừ He lng)
• Rắn: có thể có nhiều pha (số pha = số dạng thù hình)
• Sư chuyển pha: chuyển đổi giữa các trạng thái tập hp
thay đổi đột ngột những tnh chất của hệ (khối lưng riêng,
nhiệt dung, thể tch, hiệu ứng nhiệt…)
• Cân bằng pha trong hệ 1 chất nguyên chất: cân bằng giữa
các trạng thái tập hp của chất đó
5
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
Áp dng quy tc pha Gibbs:
Bậc tự do C = k - f + 2
C = 3 - f
C 0 f 3
số pha lớn nhất có thể cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng: 3
6
1. Sự chuyển pha loại 1
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
C = 3 - f
f = 1 C = 2
Hệ 1 pha, P và T có thể thay đổi tùy ý (trong một giới hạn xác định) mà hệ
vẫn tồn tại ở dạng 1 pha.
f = 2 C = 1
Hệ 2 pha, nhất biến, khi 1 thông số thay đổi thì thông số còn lại phải thay đổi
theo: T = f(P) hoặc P = f(T)
f = 3 C = 0
Chỉ tồn tại cân bằng của 3 pha trong 1 điều kiện bên ngoài hoàn toàn xác
định (P và T =const)
7
1. Sự chuyển pha loại 1
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
2. Ảnh hưởng của áp suất tới
nhiệt độ chuyển pha
A () ↔ A ()
f = 2 c = 1 T = f(P)
Điều kiện cân bằng pha ở T=const và P=const:
=
Chất nguyên chất: = G G
= G
Khi có thay đổi P → P + dP thì T → T + dT
Hệ thiết lập CB mới: G
+ dG
= G
+ dG
Mà G
= G
dG
= dG
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
8
2. Ảnh hưởng của áp suất tới
nhiệt độ chuyển pha
Phương trình
Clausius – Clapeyron I
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
9
T (K); V (L/mol);
(atm.L/mol)
2. Ảnh hưởng của áp suất tới
nhiệt độ chuyển pha
Quá trình sôi (hóa hơi):
Quá trình nóng chảy:
Riêng trường hợp nước:
V= (V
l
- V
r
)<0;
nc
>0
P tăng T
nc
giảm
0
dT
dP
0
dT
dP
0
dT
dP
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
10
V=(V
h
– V
l
)>0;
hh
>0 P tăng T
s
tăng
V=(V
l
- V
r
)>0;
nc
>0 P tăng T
nc
tăng
T (K); V (L/mol);
(atm.L/mol)
2. Ảnh hưởng của áp suất tới
nhiệt độ chuyển pha
Ví dụ:
d (phenol,l) = 1,056 g/ml
d (phenol,r) = 1,072 g/ml
nc
(phenol) = 104,35 J/g
T
nc
,
1atm
= 41
o
C
Tính nhiệt độ nóng chảy của phenol ở 500 atm.
(1 J = 0,00987 atm.L)
Đs: T
nc
,
500atm
= 43
o
C
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
11
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới
áp suất hơi bão hòa
▪
Phương trình Clausius – Clapeyron II
(mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ đến ASHBH)
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
12
Áp suất hơi bão hòa ?
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới
áp suất hơi bão hòa
Ví dụ: bài th nghiệm “Áp suất hơi bão hòa”
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
13
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới
áp suất hơi bão hòa
Tnh toán gần đúng các thông số nhiệt động (P, T
s
, …)
VD:
Tính T
s
của nước ở 2 atm biết nhiệt hóa hơi là 538,1 cal/g
ĐS: T
s,2atm
= 120,9
o
C
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
14
Bài tập:
Axeton có áp suất hơi bão hòa ở các nhiệt độ 306 K
và 320 K lần lưt là 346 mmHg và 556 mmHg. Hãy
xác định nhiệt hóa hơi và nhiệt độ sôi của axeton.
(Coi nhiệt hóa hơi là hằng số).
ĐS : T
s
= 326 K = 56
o
C
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
15
PHYSICAL CHEMISTRY I
PHASE EQUILIBRIUM OF PURE SUBSTANCES
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới
áp suất hơi bão hòa
4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất
Giản đồ pha bao gồm:
- Các điểm
- Các đường
- Các mặt
- Các vùng
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
16
4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất
Điểm sôi – nhiệt độ sôi:
Chất lng đưc làm nóng trong 1 bình hở, khi áp suất hơi trên bề mặt
chất lỏng = áp suất ngoài → hiện tưng sôi
Nhiệt độ tại đó gọi là nhiệt độ sôi (T
s
)
P
bh
= P
ngoài
= 1 atm → nhiệt độ sôi thông thường
P
bh
= P
ngoài
= 1 bar → nhiệt độ sôi tiêu chuẩn
1 bar = 0,987 atm
VD: T
s
thông thường của nước: 100
o
C
T
s
tiêu chuẩn của nước: 99,6
o
C
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
→ T
s
thông thường > T
s
tiêu chuẩn
17
4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất
Điểm tới hạn:
Khi mật độ pha hơi = mật độ pha lng → Bề mặt phân cách pha biến mất
→ Điểm tới hạn
→ Nhiệt độ tới hạn (T
c
)
→ Áp suất tới hạn (T
c
)
Từ điểm tới hạn trở lên: chỉ còn 1 pha tồn tại gọi là pha lng siêu tới hạn
(điền đầy bình chứa, không có bề mặt phân cách)
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
https://www.youtube.com/watch?v=GEr3NxsPTOA
18
4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
Điểm tới hạn:
▪ Ở T < T
c
: tăng P
→ pha H ngưng tụ thành pha L
▪ Ở T T
c
: tăng P
→ thu đưc chất lng siêu tới hạn
19
4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất
Điểm nóng chảy:
Ở P xác định, 2 pha L và R cùng tồn tại, nằm cân bằng với nhau
→ Nhiệt độ nóng chảy (T
nc
) = Nhiệt độ kết tinh (T
kt
)
HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
20
| 1/34
| | Tải xuống

Có thể bạn quan tâm:

Preview text:

LOGO HÓA LÝ I
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Bộ môn Hóa lý, Viện Kỹ thuật Hóa học
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Email: mai.nguyenthituyet1@hust.edu.vn 1
Chương 3. SỰ CHUYỂN PHA TRONG HÓA LÝ I
HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
1. Sự chuyển pha loại một
2. Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ chuyển pha
Phương trình Clausius Clapeyron I
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất hơi bão hòa
Phương trình Clausius Clapeyron II
4. Giản đồ pha hệ một chất nguyên chất
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 2 Hóa Lý, ĐHBKHN
Câu hỏi thảo luận
1. Tại sao khi nấu ăn trên núi thức ăn lâu chín hơn so với khi
nấu ở vùng đồng bằng ?
2. Tại sao nấu trong nồi áp suất thì đồ ăn nhanh chín hơn ?
3. Làm cách nào để sấy khô vật chất (đường, muối, thức ăn,
trái cây, tinh dầu…) mà không làm nóng chảy/phân hủy chúng ? 3
1. Sự chuyển pha loại 1 HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT V  CP Chuyển pha loại 1
(thường gặp: nóng chảy,
kết tinh, ngưng tụ, bay hơi) Chuyển pha loại 2
(KL thông thường →chất
siêu dẫn ở nhiệt độ thấp
Fe thuận từ → Fe nghịch từ) Nhiệt độ
Chuyển pha loại 1: thay đổi nhảy vọt các thông số nhiệt động
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 4 Hóa Lý, ĐHBKHN
1. Sự chuyển pha loại 1 HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT Hệ 1 chất nguyên chất:
• Khí/lỏng: 1 pha (trừ He lỏng)
• Rắn: có thể có nhiều pha (số pha = số dạng thù hình)
• Sự chuyển pha: chuyển đổi giữa các trạng thái tập hợp
 thay đổi đột ngột những tính chất của hệ (khối lượng riêng,
nhiệt dung, thể tích, hiệu ứng nhiệt…)
• Cân bằng pha trong hệ 1 chất nguyên chất: cân bằng giữa
các trạng thái tập hợp của chất đó 5
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai Hóa Lý, ĐHBKHN
1. Sự chuyển pha loại 1 HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
Áp dụng quy tắc pha Gibbs: Bậc tự do C = k - f + 2  C = 3 - f C  0  f  3
 số pha lớn nhất có thể cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng: 3 6
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai Hóa Lý, ĐHBKHN
1. Sự chuyển pha loại 1 HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT C = 3 - f f = 1 C = 2
Hệ 1 pha, P và T có thể thay đổi tùy ý (trong một giới hạn xác định) mà hệ
vẫn tồn tại ở dạng 1 pha. f = 2 C = 1
Hệ 2 pha, nhất biến, khi 1 thông số thay đổi thì thông số còn lại phải thay đổi theo: T = f(P) hoặc P = f(T) f = 3 C = 0
Chỉ tồn tại cân bằng của 3 pha trong 1 điều kiện bên ngoài hoàn toàn xác định (P và T =const)
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 7 Hóa Lý, ĐHBKHN
2. Ảnh hưởng của áp suất tới HÓA LÝ I
nhiệt độ chuyển pha
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
A () ↔ A () f = 2  c = 1  T = f(P)
Điều kiện cân bằng pha ở T=const và P=const:  = 
Chất nguyên chất:  = G  G = G
Khi có thay đổi P → P + dP thì T → T + dT
Hệ thiết lập CB mới: G + dG = G + dG
Mà G = G  dG = dG
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 8 Hóa Lý, ĐHBKHN
2. Ảnh hưởng của áp suất tới HÓA LÝ I
nhiệt độ chuyển pha
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT Phương trình T (K); V (L/mol);
Clausius – Clapeyron I  (atm.L/mol)
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 9 Hóa Lý, ĐHBKHN
2. Ảnh hưởng của áp suất tới HÓA LÝ I
nhiệt độ chuyển pha
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
Quá trình sôi (hóa hơi): dT V=(V  0 h – Vl)>0; hh>0 
P tăng Ts tăng dP
Quá trình nóng chảy: dT V=(V  0 l - Vr)>0; nc>0 
P tăng Tnc tăng dP
Riêng trường hợp nước: V= (V dT
l - Vr)<0; nc>0
0  P tăng Tnc giảm dP T (K); V (L/mol);  (atm.L/mol)
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 10 Hóa Lý, ĐHBKHN
2. Ảnh hưởng của áp suất tới HÓA LÝ I
nhiệt độ chuyển pha
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT Ví dụ: d (phenol,l) = 1,056 g/ml d (phenol,r) = 1,072 g/ml nc (phenol) = 104,35 J/g Tnc,1atm = 41 oC
Tính nhiệt độ nóng chảy của phenol ở 500 atm. (1 J = 0,00987 atm.L) Đs: Tnc,500atm = 43 oC
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 11 Hóa Lý, ĐHBKHN
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới HÓA LÝ I
áp suất hơi bão hòa
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
▪Áp suất hơi bão hòa ?
Phương trình Clausius – Clapeyron II
(mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ đến ASHBH)
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 12 Hóa Lý, ĐHBKHN
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới HÓA LÝ I
áp suất hơi bão hòa
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
Ví dụ: bài thí nghiệm “Áp suất hơi bão hòa”
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 13 Hóa Lý, ĐHBKHN
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới HÓA LÝ I
áp suất hơi bão hòa
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
Tính toán gần đúng các thông số nhiệt động (P, Ts,  …) VD: Tính T của s
nước ở 2 atm biết nhiệt hóa hơi là 538,1 cal/g ĐS: Ts,2atm = 120,9 oC
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 14 Hóa Lý, ĐHBKHN PHYSICAL CHEMISTRY I
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới
PHASE EQUILIBRIUM OF PURE SUBSTANCES
áp suất hơi bão hòa Bài tập:
Axeton có áp suất hơi bão hòa ở các nhiệt độ 306 K
và 320 K lần lượt là 346 mmHg và 556 mmHg. Hãy
xác định nhiệt hóa hơi và nhiệt độ sôi của axeton.
(Coi nhiệt hóa hơi là hằng số).
ĐS : Ts = 326 K = 56 oC
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 15 Hóa Lý, ĐHBKHN
4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
Giản đồ pha bao gồm: - Các điểm - Các đường - Các mặt - Các vùng
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 16 Hóa Lý, ĐHBKHN
4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
Điểm sôi – nhiệt độ sôi:
Chất lỏng được làm nóng trong 1 bình hở, khi áp suất hơi trên bề mặt
chất lỏng = áp suất ngoài → hiện tượng sôi
Nhiệt độ tại đó gọi là nhiệt độ sôi (Ts)
Pbh = Pngoài = 1 atm → nhiệt độ sôi thông thường
Pbh = Pngoài = 1 bar → nhiệt độ sôi tiêu chuẩn 1 bar = 0,987 atm
→ Ts thông thường > Ts tiêu chuẩn
VD: Ts thông thường của nước: 100 oC
Ts tiêu chuẩn của nước: 99,6 oC
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 17 Hóa Lý, ĐHBKHN HÓA LÝ I
4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT Điểm tới hạn:
Khi mật độ pha hơi = mật độ pha lỏng → Bề mặt phân cách pha biến mất → Điểm tới hạn
→ Nhiệt độ tới hạn (Tc)
→ Áp suất tới hạn (Tc)
Từ điểm tới hạn trở lên: chỉ còn 1 pha tồn tại gọi là pha lỏng siêu tới hạn
(điền đầy bình chứa, không có bề mặt phân cách)
https://www.youtube.com/watch?v=GEr3NxsPTOA
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 18 Hóa Lý, ĐHBKHN
4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất HÓA LÝ I
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT Điểm tới hạn: ▪ Ở T < Tc: tăng P
→ pha H ngưng tụ thành pha L ▪ Ở T  Tc: tăng P
→ thu được chất lỏng siêu tới hạn
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 19 Hóa Lý, ĐHBKHN HÓA LÝ I
4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT Điểm nóng chảy:
Ở P xác định, 2 pha L và R cùng tồn tại, nằm cân bằng với nhau
→ Nhiệt độ nóng chảy (Tnc) = Nhiệt độ kết tinh (Tkt)
TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai 20 Hóa Lý, ĐHBKHN