Бір компонентті жүйелердің фазалық тепе-теңдік есептері

Жұмыс мақсаты: Заттың булануының орташа температурасын анықтау.

Жұмыс жоспары:

1. Заттың булануының орташа температурасын анықтау.

2. Есепті шығару үлгісі.

3. Өздігінен есептеуге арналған диаграммалар

Кілт сөздер: еркіндік дәрежесі, Нұсқатілік, фазалық тепе-теңдік.

Бақылау сұрақтары:

1. Физикалық ұғымдар: гомогенді жүйе, фаза, параметр, Нұсқатілік, компонент, фазалық тепе-теңдік, интенсивті параметрлер.

2. Жүйе компоненттерінің санын анықтау ережесі.

3. Сәйкестік және үздіксіздік принципі.

4. Жалпы жағдайда Гиббс тің фазалар ережесі.

Глоссарий:

1. Фаза – құрамы мен физикалық қасиеттері бірдей және жүйенің басқа бөліктерінен көрінетін беттік бөлімдермен бөлінген гетерогенді жүйенің гомогенді бөліктерінің жиынтығын айтады.

2. Гомогенді жүйе – барлық көлем бойынша физико-химиялық қасиеттері бірдей жүйе

3. Гетерогенді жүйе – физико-химиялық қасиеттері әртүрлі және ішінде көрінетін бөліну шекаралары бар жүйе.

4. Жүйенің құраушы бөлігі немесе құраушы заттар – жүйенің құрамына кіретін және жүйеден бөлініп шығатын және өз бетінше бола алатын жеке заттар.

5. Компонент – зерттелетін жүйенің барлық фазаларын жаңадан өндіру үшін қажетті және жеткілікті жүйенің құраушы бөліктерінің ең аз саны.

6. Интенсивті параметр – массаға тәуелсіз және жүйеде теңесетін параметр.

7. Экстенсивті параметр – массаға пропорционал және жүйеде қосылатын параметр.

8. Жүйенің еркіндік дәрежесі – фазалық тепе-теңдікті ығыстырмай еркін өзгертуге болатын жүйенің параметрлері.

9. Фазалық айналулар – барысында зат құрылысының агрегаттық немесе құрылымдық өзгерістері жүретін үдерістер.

10. Фазалық тепе-теңдік – фазаның санын және табиғатын өзгертуге болмайтын тепе-теңдік күй.

11. Конденсация үдерісі – газдан сұйық тұнатын және сұйықтан қатты фаза тұнатын үдеріс.

12. Конденсацияланған фаза – сұйық немесе қатты күйде келтірілген жүйенің фаза.

Қысқаша теория Клаузиус-Клапейрон теңдігінің анализі

Біркомпонентті жүйелердің фазалық ауысуы (агрегатты және полиморфты ауысу), мысалы,

, , =

Клаузиус- Клапейрон теңдігімен өрнектеледі, булану және сублимация үрдісі үшін келесі түрде жазылады:

(1)

Ал балқу және полиморфты ауысу үрдісі үшін:

(2)

Мүндағы- фазалық ауысу кезіндегі энтропия өзгерісі, Н – фазалық ауысудағы жылу көрсеткіші (энтальпия), - ауысу кезіндегі көлемнің өзгерісі. Бұл көлемдер бір зат мөлшеріне тиісті болу керек (әдетте 1 мольге) .

Дифференциалды теңдеулер (1) және (2) екі параметрдің өзгеруімен өзара байланысты, яғни өысым және температура Т, бір компонентті жүйенің фазалы тепе – теңдік күйімен анықталады. Клаузиус- Клапейронның дифференциалдық теңдеулерін интегралдау полиморфты өзгеру нәтижесі мен балқуға температурасына сыртқы қысымның әсері, қатты және сұйық заттың температурасынан, тепе- теңдік бу қысымының тәуелділігін орнатуға мүмкіндік береді.Т =ф(р).

Булану процесі үшін А_ж = А_пар, егер бір тепе- теңдік фаза бу болғанда, А_иУ= У_пар - У_ж. Критикалық температурадан төмен температурада тепе- тең конденсацияланған фаза көлемін газ көлемімен салыстырғанда есепке алмауға болады. Онда, буды идеал газ ретінде санап, (1) теңдікті мына түрге келтіреміз.

Жуықтап есептеуде және температураның аз интервалында булану жылуынтемператураға тәуелді емес екенін айтуға болады және интегралдау нәтижесінде алалмыз:

+const=

Булану жылуының температураға тәуелділігі дәл есептеулерде еепке аламыз:

(4) теңдік сұйық заттан будың қаныққан қысымын анықтаййды. Сұйықтықтың қайнау шарты сыртқы қысымының будың қаныққан қысымына тең болуымен анықталатындықтан, онда4) теңдікті сыртқы қысымның сұйық заттың қайнау температурасына тәуелділігі ретінде қарастыруға болады.

Сур. 1. Диаграмма фазовых равновесий однокомпонентной системы

Сәйкесінше сублимация үрдісі келесі теңдіктермен анықталады :

( ):

,

(2) теңдікті интегралданғанда әдетте оң жақ бөлігін тұрақты деп санайды. Нақтырақ айтөанда , мұндай қысқартулар үлкен қателіктерге әкелмейді, сыртқы қысым балқу температурасына көп әсер етпеген жағдайда. Онда

Және заттың белгілі бір қысымдағы балқу температурасы, Р * 1,013-10⁵ Па, Айырмашылығы келесі теңдікпен анықталады:

Мұндағы Т°_т – заттың қалыпты балқу температурасы, К; Р - сыртқы, Па.

Егер (4) - (6) теңдікті графикалық түрде келтірсек, онда бір компонентті жүйе күйінің диаграммасын аламыз(сур.1) бұл жерде айта кететін екі жағдай бар.1-шіден «қатты зат- сұйық зат» тепе- теңдігіне жауап беретін ОА түзуі іс жүзінде тігінен орналасады, сондықтан қалыпты балқу температурасы үшфазалы тепе- теңдік температуарсымен сәйкес келеді. 2-шіден , қисық бу қысымының тәуелділігі қатты затпен (ОС түзуі) жақын О нүктесінде орналасады, сұйықтықтың бу қысымының тәуелділігіне қарағанда. (ОБ түзуі). Бұл дегеніміз возгонка жылуы булану жылуына қарағандажоғары болуымен байланысты:

1 және 2 нукте сыртқы қысымдағы Р_т. Сұйық заттың қайнау және қату температурасын анықтайды.