fázové rovnováhy v jednozložkových sústavách

Katedra chémie, Technická univerzita v Košiciach

1

Fázové rovnováhy v jednozložkových sústavách

Clapeyronova rovnica

Clausius-Clapeyronova rovnica

Fázové diagramy


2

Fázová rovnováha: Definícia fázyDefinícia:

Fáza: Časť sústavy, ktorá je od ostatných častí fyzicky oddelená hranicou.

Hranicou je fázové rozhranie.

Jednofázová sústava vody

voda

Dvojfázová sústava vody

Trojfázová sústava vody

ľad

vodavoda

ľad

para


3

Homogénna: obsahuje len jednu fázu.

Heterogénna: obsahuje viac fáz.

Fázová rovnováha:

Homogénna a heterogénna sústava

Jednofázová sústava vody

Dvojfázová sústava vody

ľad

voda

Trojfázová sústava vody

voda

para

ľad

voda


4

Dvojfázová rovnováha:

• Vyparovanie: A(l) A(g)

• Kondenzácia: A(g) A(l)

• Topenie: A(s) A(l)

• Tuhnutie: A(l) A(s)

• Rekryštalizácia: A(s1) A(s2)


5

Clapeyronova rovnica

• Popisuje dvojfázové rovnováhy: s-s, s-l

VT

H

dT

dP

ΔH je entalpia fázovej premeny (J/K.mol)

T je teplota fázovej premeny (K)

Δ V je zmena mólového objemu pri fázovej premene (m³)


6

Rovnováha solidus-likvidus

• Je množinou bodov topenia

• S rastúcim tlakom bod topenia.

Rastie, ak je ΔV>0Klesá, ak je ΔV<0


7

Rovnováha solidus-likvidus Fázový diagram vodyVlastnosti:

Záporný sklon krivky topenia.

Zvýšený tlak pri konštantnej teplote spôsobí topenie.

Pri topení ľadu sa zmenšuje jeho objem

Teplota

P(Pa)

Ľad Voda

Para


8

Fázová rovnováha: Tlak pár a fázový diagramVyparovanie: A(l) A(g) KondenzáciaA(g) A(l)

Fázová rovnováha: dve fázy koexistujú v dynamickej rovnováhe

Kvapalina

Para

G

Teplota

G


9

Dvojfázové rovnováhy s prítomnosťou pary: sublimácia a vyparovanie

• Sublimácia : (s) → (g)

• Tuhý oxid uhličitý známy ako „suchý ľad“ nejestvuje pri normálnom tlaku v kvapalnom stave. Suchý ľad sa netopí, ale sublimuje.

Suchý ľad


10

Body sublimácie niektorých látok

Látka Bod sublimácie (ºC)

Acetylén - 84

Oxid uhličitý - 78.5

Grafit 3825

Fosfor (červený) 416


11

Vyparovanie: (l) → (g)

• K vyparovaniu dochádza vtedy keď je počet molekúl, ktoré opúšťajú kvapalinu väčší ako počet molekúl, ktorý vstupujú do kvapaliny.

• Ku kondenzácii dochádza vtedy ak viac molekúl vstupuje do kvapaliny ako kvapalinu opúšťa.

• Hnacou silou toho je koncentrácia molekúl látky v atmosfére.


12

Vyparovanie: (l) → (g)

• Ak je koncentrácia vysoká, prevláda kondenzácia

• Ak ani jeden proces neprevláda je to preto, že v v plynnej fáze je správna koncentrácia molekúl – nie je to ani viac a ani menej ako treba.

• Plynná fáza je vtedy NASÝTENÁ • Tlak pary nad kvapalinou sa nazýva TLAK

NASÝTENEJ PARY• Tlak nasýtenej pary sa zvyšuje s rastúcou

teplotou


13

Tlak nasýtenej paryJe tlak pary, ktorá je v rovnováhe s kvapalnou fázou pri konštantnej teplote

Pnas


14

Vyparovanie

• Vyparovanie kvapaliny v uzavretej nádobe prebieha dovtedy kým je počet molekúl, ktoré sa za jednotku času vyparia z povrchurovnaký ako počet molekúl, ktoré skondenzujú.

• Vtedy je para NASÝTENÁ a jej tlak sa nazýva tlak nasýtenej pary.

• Pri vyššej teplote uniká z povrchu kvapaliny viac molekúl a preto je tlak nasýtenej pary vyšší.

• Ak je kvapalina v otvorenej nádoby je tlak pary parciálnym tlakom v zmesi plynov vo vzduchu.

• Teplota, pri ktorej je tlak pary rovný atmosférickému tlaku sa nazýva bod varu.


15

Vyparovanie a var

Bubliny nevznikajú,lebo tlak je nižší ako

atmosferický tlak

Bubliny vznikajú,pretože tlak pary je väčší ako atmosférický

tlak

Vyparovanie Var


16

Dvojfázové rovnováhy s prítomnosťou pary

• Clausiusova-Clapeyronova rovnica

121

2 11ln

TTR

H

P

P

P2 je tlak pary pri teplote T 2

P 1 je tlak pary pri teplote T 1

ΔH je mólová entalpia vyparovania/sublimácie

R je plynová konštanta


17

Clausius


18

Denis Papin (1647-1712)


19


20

Tlakový hrniec

Tlak pary vždy rastie ak sa zvyšuje teplota!

Pri zvýšenom tlaku sa zvyšuje bod varu!


21

Tlakový hrniec

• Tlakový hrniec skracuje dobu varenia tak, že voda zostáva v kvapalnom stave pri oveľa vyššej teplote ako v obyčajnom hrnci.

• Pri zvýšenom tlaku sa zvyšuje bod varu vody.


22

Bod varu pri zníženom tlaku okolia

• Pokles vonkajšieho tlaku spôsobuje zníženie bodu varu


23

Všeobecný rovnovážny diagram jednej zložky

Vysoké P a nízke T :Tuhá Vysoká T a nízke P

:plyn/para

Topenie s-l

Vyparovanie l-g

Sublimácia s-g

Trojný bod T

Kritický bod C

P

Teplota

Tuhá

Kvapalná

Para


24

Rovnováhy vo fázovom diagrame

• Topenie: s-l univariantná rovnováha: v=1-2+2= 1

• Vyparovanie l-v univariantná rovnováha: v=1-2+2= 1

• Sublimácia s-v univariantná rovnováha: v=1-2+2= 1 • Trojný bod T nonvariantná rovnováha: v=1-3+2= 0


25

Fázová rovnováha: Fázový diagram CO2Vlastnosti:

Trojný bod je pri tlaku vyššom ako 101325 Pa.

Zvýšenie T pri atmosferickomtlaku vedie k sublimácii,

t.j. Suchý ľad sa netopí.

s l

g

Teplota

P10325 Pa


26

Koniec

fázové rovnováhy v jednozložkových sústavách

Documents