Фазові рівноваги та діаграми стану

Правило фаз.

Існування даної фази в системі або рівновага фаз можливі лише у визначених умовах, при зміні цих умов рівновага системи порушується, відбувається зрушення фаз або перехід речовини з однієї фази в іншу.

Можливість існування даної фази в рівновазі з іншими визначається правилом фаз або законом рівноваги фаз.

Умови, при яких система знаходиться в рівновазі, можуть змінюватися (система може знаходитися при різних температурах, тисках і концентраціях). Умовимося називати складовою частиною системи, або компонентом, кожну з хімічно однорідних речовин, які знаходяться в ній, або виділяються з неї і можуть існувати в ізольованому виді тривалий година. Компоненти системи, найменше число яких достатнє для утворення усіх фаз даної системи, називають незалежними компонентами.

Правило фаз у загальному виді виражається рівнянням

С + Ф= k + п

де С - число ступенів свободи або мінімальне число факторів, які можна змінювати незалежно один від одного без порушення рівноваги даної системи;

Ф—число фаз системи;

k - число незалежних компонентів системи;

п– число зовнішніх факторів, що впливають на положення рівноваги у даній системі.

Правило фаз формулюється так: сума числа ступенів свободи системи і числа фаз дорівнює сумі числа незалежних компонентів і числа зовнішніх факторів, що впливають на рівновагу цієї системи.

У залежності від числа ступенів свободи, системи можуть бути: безкомпонентними (при С=0), однокомпонентними (С=1), двох-компонентними (С=2) і різноманітними (С>2).

Однокомпонентні системи .

Якщо система складається тільки з одного компонента, тобто являє собою чисту індивідуальну речовину, те можливість одночасного існування всіх трьох фаз - твердої, рідкої і газоподібної, за правилом фаз визначається відсутністю ступенів свободи, тому що в цьому випадку:

С=1-3+2=0

і система безваріантна. Така система може існувати тільки при строго визначених значеннях температури і тиску (для води t=0,0075°С и р=4,579 мм рт. ст.). Зміна шкірного з цих розумів приводити до зникнення однієї з фаз і система стає двохфазною.

Найбільш цікавої однокомпонентною системою є двофазна система-рідина і насичена пари. У цьому випадку:

С=1-2+2=1

і система є одноваріантною. Отже, не порушуючи фазової рівноваги, можна довільно змінювати або температуру або тиск.

У таких системах строго однозначна залежність між температурою і тиском насиченої парі. Тому при зміні температури парі одночасно буде відповідно змінюватися тиск і, навпаки, при зміні тиску відповідно міняється і температура; для кожної рідини можна, таким чином, побудувати криву тиску насиченої парі. Як приклад приводитися крива тиску водяної парі (мал.1).

Для проведення дифузійних процесів необхідно знати залежність від температури тиску пари чистих рідин, що входять до складу сумішей. Звичайно такі криві будують на підставі дослідних даних, що для багатьох рідин приведені в літературі. Однак нерідко доводиться обчислювати тиск парів чистих рідин по теоретичних залежностях або непрямих методах.

При будь-якому рівноважному переході речовини з однієї фази в іншу дотримується залежність, що виражається рівнянням Клаузіуса — Клапейрона

деr — теплота фазового переходe (випаровування, плавлення, сублімації і ін.) у ккал/кг·мол;

— тепловий еквівалент роботи в ккал/кгс;

Т — абсолютна температура фазового переходу в °К;

Р — тиск у кгс/м² ;

— зміна мольного об’єму речовини при фазовому переході в м³ /кг·мол.

Рис.1. Крива тиску насиченої водяної пари.

Стосовно до двохфазної системи рідина — пара перепишемо це рівняння так:

де r – теплота випаровування при даній температурі в ккал1кг·мол;

V_п — молярний об’єм пари в м³ /кг·мол ;

V_ж — молярний об’єм рідини в м^а /кг-мол.

В області невисоких тисків пари молярний об’єм рідини дуже малий у порівнянні з молярним об’ємом пари, тому без великої похибки можна величиною V_ж знехтувати, приймаючи V_ж =0. Тоді

де R=1,99 ккал/кг·мол·°К.

При цих умовах рівняння приймає наступний вид:

або

або

При невеликих інтервалах температур величина r має приблизно постійне значення. Тоді інтегрування рівняння дає

де C – стала інтегрування.

По цьому рівнянню зручно вести практичні розрахунки, тому що воно є рівнянням прямої залежності логарифма тиску від зворотньої величини абсолютної температури. Якщо для якої-небудь однієї температури Т відомий тиск Р, то, знаючи величину r , можна з знайти числове значення константи C, після чого побудувати пряму в координатах lgP,і по ній знаходити значення Р для будь-яких інших температур.

Якщо величина r також невідома, те для побудови діаграми необхідно знати тиски при двох температурах, скласти два рівняння і, вирішуючи їх, визначити значення r іС .

Рівняння можна інтегрувати в межах від T₁ до Т₂ і відповідно від Р₁ до Р_2, тоді одержимо нове рів

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать