Tiszta anyagok fázisátmenetei

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Tiszta anyagok fázisátmenetei"

Viktória Fazekasné
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 Tiszta anyagok fázisátenetei Fizikai kéia előadások 4. Turányi Taás ELTE Kéiai Intézet Fázisok DEF egy rendszer hoogén, ha () nincsenek benne akroszkoikus határfelülettel elválasztott részek és () az intenzív állaotjelzők értéke a rendszer inden ontjában ugyanaz DEF egy rendszer inhoogén, ha ne hoogén DEF egy rendszer heterogén, ha vannak benne fázisok DEF fázis: akroszkoikus határfelülettel elválasztott hoogén részek Példák tiszta ( kéiailag egyfajta) anyagok fázisaira: különféle halazállaotok (szilárd, folyadék, gőz) allotró ódosulatok (eleek különböző kristályként): szürke ón fehér ón oliorf ódosulatok (vegyületek különböző kristályként) kalcit aragonit

állaotjelzők értéke a rendszer inden ontjában ugyanaz DEF egy rendszer inhoogén, ha ne hoogén DEF egy rendszer heterogén, ha vannak benne fázisok DEF fázis:

2 Fázisegyensúlyok DEF fázisegyensúly: zárt rendszerben tiszta anyag különféle fázisai közötti egyensúly. olvadási egyensúly: árolgási egyensúly: szubliációs egyensúly: szilárd folyadék egyensúly folyadék gőz egyensúly szilárd gőz egyensúly Allotró átalakulási egyensúlyok: gyéánt grafit, szürke ón fehér ón, robos kén onoklin kén Poliorf átalakulási egyensúlyok: kalcit aragonit (CaCO 3 ), glicin kristályok ( ) Egyensúlyban állandó nyoáson és hőérsékleten (, T, n állandó) a rendszer teljes szabadentaliája a legkisebb értékét veszi fel. Ezt ne indig könnyű száolni/érni, de egy jobban alkalazható elvet is használhatunk, ai a oláris szabadentaliákon alaul. egyensúly G G Két fázis egyensúlyban van (, T, n állandó) a tiszta anyag oláris szabadentaliája a két fázisban ugyanaz. Ha ne így lenne, akkor a teljes rendszer a kisebbik oláris szabadentaliával jellezett fázisba enne át. Bizonyítása (ne kell tudni!):. fázis: oláris szabadentalia: G ; anyagennyiség: n jég. fázis: oláris szabadentalia: G ; anyagennyiség: n víz az összes szabadentalia: G G n + G n a szabadentalia egváltozása: dg G dn + G dn Ha az. fázis dn ólja átalakul a. fázissá (l. jég elolvad) dn -dn és dn +dn a szabadentalia egváltozása: dg -G dn + G dn dn (G - G ) dg negatív (G csökken) csak akkor, ha G < G Ha G G G ne változik nincs fázisátalakulás

ón, robos kén onoklin kén Poliorf átalakulási egyensúlyok: kalcit aragonit (CaCO 3 ), glicin kristályok ( ) Egyensúlyban állandó nyoáson és hőérsékleten (, T, n állandó) a rendszer teljes

3 Claeyron-egyenlet Beállt fázisegyensúly nyoáson és T hőérsékleten. Megváltoztatjuk kis d és dt értékkel (l. 3. előadás, 0. oldal) új egyensúly áll be a oláris szabadentaliák újra egyenlőek lesznek a oláris szabadentaliák azonos értékben változnak eg: dg V d S dt és dg dg V d S dt V d S dt Ebből átrendezéssel kajuk a Claeyron-egyenletet: d dt S V S V S V T V ahol S /T és a oláris átalakulási entalia 5 a fázisátenetnél a felszabaduló vagy elnyelt hőt jelenti. Claeyron-egyenlet. V V - V H - H S S - S Ez tehát a V, H, S ennyiségek egváltozása fázisváltozáskor. d S dt V T V Benoît Paul Éile Claeyron ( ) francia érnök 6 3

V d S dt Ebből átrendezéssel kajuk a Claeyron-egyenletet: d dt S V S V S V T V ahol S /T és a oláris átalakulási entalia 5 a fázisátenetnél a felszabaduló

4 Claeyron-egyenlet 3. Claeyron-egyenlet integrált alakja ha / V ne változik a hőérséklettel: V T ln T. A víz esete: Olvadáshoz hőközlés kell: > 0 d Víz esetén a térfogatváltozás az olvadásnál: V < 0 dt T V d /dt < 0 nyoás növelésével (d > 0) az olvadásont csökken (dt < 0). Látványos kísérlet: A vékony drótszálra felfüggesztett súlyok hatására a drótszál átvágja agát a jégrúdon. a szál felülete kicsi a jégrúd adott helyén nagy nyoás ott az olvadásont lecsökken, a jég egolvad felette a nyoás újra at, ott a víz újra egfagy. 7 Clausius Claeyron-egyenlet Mit jelent térfogatváltozásban, ha víz elárolog? n ol víz 8 g víz V folyadék 8 c 3 V gőz 000 c 3 V c 3 98 c c 3 ( V -0,08 %) Két egyszerűsítő feltételezés a Claeyron-egyenlethez: () a gőz oláris térfogatához kéest a kondenzált fázis (szilárd vagy folyadék) oláris térfogata elhanyagolható: V V R. J. E. Clausius (8 888) néet fizikus () A gőz oláris térfogata az általános gáztörvénnyel közelíthető: V V RT/ Így kajuk Clausius Claeyron-egyenletet: d dt RT va átrendezve: d ln dt RT va B. P. É. Claeyron ( ) 8 francia érnök 4

Látványos kísérlet: A vékony drótszálra felfüggesztett súlyok hatására a drótszál átvágja agát a jégrúdon.

5 Forrásont DEF forrásont: az a hőérséklet, ahol a folyadék belsejében lévő buborékokban a gőznyoás egegyezik a külső nyoás értékével. DEF norális forrásont: a forrási hőérséklet at külső nyoáson ( at 035 Pa), (víz esetén: 00,0 C) DEF standard forrásont: a forrási hőérséklet bar külső nyoáson ( bar Pa), (víz esetén: 99,6 C) DEF olvadásont: az a hőérséklet, ahol adott nyoáson a szilárd és a folyadék fázis egyensúlyban van DEF norális olvadásont: olvadási hőérséklet at külső nyoáson DEF standard olvadásont: olvadási hőérséklet bar külső nyoáson DEF hárasont:. olvadási hőérséklet a saját gőznyoásán. az az adott anyagra jellező hőérséklet és nyoás, ahol a szilárd-, folyadék-, és gőzfázis egyensúlyban van víz esetén: 73,6 K (+0,0 C) és 6, 0-3 bar CO esetén: 6,8 K (-56,4 C) és 5, bar 9 Forrásont változása a nyoással Ha a va > 0 oláris árolgási entalia ne változik a hőérséklettel, akkor az integrált alak: ln R T T va A Clausius-Claeyron-egyenlet arra (is) jó, hogy ha egyik nyoáson iserjük a forrásontot, akkor azt egy ásik nyoáson is kiszáítsuk. Mivel a árolgási entalia indig negatív, eiatt: - Nagyobb nyoáshoz agasabb forrásont tartozik. - Kisebb nyoáshoz alacsonyabb forrásont tartozik. Ha bolékony anyagot kívánunk forralással elárologtatni, csökkentjük a nyoást vákuudesztilláció, rota Zárt, nyoásálló berendezésekben a folyadékok a légköri nyoáshoz tartozó forrásontjuknál agasabb hőfokon forrnak kuktafazék 0 5

DEF olvadásont: az a hőérséklet, ahol adott nyoáson a szilárd és a folyadék fázis egyensúlyban van DEF norális olvadásont: olvadási hőérséklet at külső nyoáson DEF standard olvadásont: olvadási

6 CO fázisdiagraja DEFFázisdiagra: azona hőérséklet- ésnyoástartoányok ábrázolása, ahol az egyes fázisok terodinaikailag stabilak. c C B A D CO fázisdiagraja. A: szubliációs görbe; B: tenziógörbe; C: olvadásont-görbe; D: hárasont; T c : kritikus hőérséklet; c : kritikus nyoás. /at T/K t/ C egjegyzés,0 94,7-78,5 légköri nyoás 5, 6,8-56,3 hárasont 67,0 98,5 5,0 szobahőérséklet 7,9 304, 3,0 kritikus ont Tc H O fázisdiagraja c C B A D Tc H O fázisdiagraja. A: szubliációs görbe; B: tenziógörbe; C: olvadásont-görbe; D: hárasont; T c : kritikus hőérséklet; c : kritikus nyoás. /at T/K t/ C egjegyzés,0 373,5 00,0 légköri nyoás 0,006 73,6 0,0 hárasont 0,03 98,5 5,0 szobahőérséklet 7,5 647,5 374,0 kritikus ont 6

/at T/K t/ C egjegyzés,0 94,7-78,5 légköri nyoás 5, 6,8-56,3 hárasont 67,0 98,5 5,0 szobahőérséklet 7,9 304, 3,0 kritikus ont Tc H O fázisdiagraja c C B A D Tc H O

7 3D fázisdiagra A ost tanult fázisdiagra (T, változik, V, n rögzített) A gázoknál tanult fázisdiagra (V, változik, T, n rögzített) Ez a 3D valóság (V,T, változik, n rögzített) 3 Gibbs-féle fázistörvény DEF terodinaikai rendszer szabadsági fokainak száa (Sz): azon intenzív állaotjelzők száa, aelyek egyástól függetlenül változtathatók anélkül, hogy fázisok tűnnének el vagy új fázisok jönnének létre. A területek belsejében és T is szabadon változtatható Sz. A, B és C görbék entén Sz. D hárasontban Sz 0. A Gibbs-féle fázistörvény: F + Sz K + F K a rendszer fázisainak száa, a koonensek száa. Tiszta anyagok fázisáteneteinél K, a szabadsági fok F 3 - Sz A fázisdiagra tartoányainak belsejében F, az A, B, C egyensúlyi görbék entén F, végül a D hárasontban F 3. A fázistörvény reaktív rendszerekre is érvényes!. Josiah Willard Gibbs ( ) USA fizikus 4 7

jönnének létre. A területek belsejében és T is szabadon változtatható Sz. A, B és C görbék entén Sz. D hárasontban Sz 0.

8 Tiszta anyagok fázisátenetei téa VÉGE 5 8

Hasonló dokumentumok

Fázisok. Fizikai kémia előadások 3. Turányi Tamás ELTE Kémiai Intézet. Fázisok

Fázisok. Fizikai kémia előadások 3. Turányi Tamás ELTE Kémiai Intézet. Fázisok Fázisok Fizikai kéia előadások 3. Turányi Taás ELTE Kéiai Intézet Fázisok DEF egy rendszer hoogén, ha () nincsenek benne akroszkoikus határfelülettel elválasztott részek és () az intenzív állaotjelzők