Фазовые равновесия: Равновесие жидкость - пар в бинарных системах

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ:

Равновесие жидкость - пар в бинарных системах.

Курсовая работа по химической термодинамике

Выполнили:

                                                                                              Еремеева Елена Владимировна

                                                                                        Кондрачук Алина Игоревна

Научный руководитель:

Симонова Марина Владимировна

Новосибирск

2005 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 3

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.. 3

Основные понятия, определения, законы.. 3

Условия фазового равновесия. 5

Фазовые равновесия в однокомпонентной системе. 5

Фазовые равновесия в многокомпонентной системе. 6

Критерий Рейдлиха-Кистлера. 9

Законы Коновалова. 10

Методы изучения зависимости давления пара от температуры.. 12

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.. 13

Оборудование. 13

Проведение экспериментов. 14

выводы... 18

ЛИТЕРАТУРА.. 18

Введение.

Химические процессы могут протекать сразу в нескольких фазах многокомпонентных систем. Сопоставление термодинамических свойств компонентов системы в различных фазах осуществляют с помощью понятия химического потенциала. Типичными многокомпонентными системами являются растворы – гомогенные молекулярно-дисперсные смеси переменного состава. Растворы могут быть газообразными, жидкими и твердыми, но обычно это понятие относят к жидким растворам.

В данной работе рассматривается фазовое равновесие в двухкомпонентной системе (изопропиловый спирт - толуол). Вариантность двухкомпонентной системы N_F = 2 + 2 – 2 = 2. поэтому при фиксированных Т или Р значение вариантности  N_F = 1, т.е. на плоскостях-сечениях с Р = const или Т = const равновесия должны описываться кривыми сосуществования фаз.

Большой интерес представляют равновесные двухкомпонентные системы, в которых один из компонентов нелетуч. Если такой компонент растворен в летучем веществе – растворителе, то измерение температуры кипения раствора (эбулиоскопия – наблюдение кипения) обнаруживает ее повышение по сравнению с температурой кипения чистого растворителя.

Целью данной  работы является, определение температуры кипения и равновесных составов жидкости и сосуществующего с ней пара при постоянном давлении. Построение по экспериментальным данным фазовой диаграммы (Т-х) для бинарной системы спирт-толуол.  

Литературный обзор.

Основные понятия, определения, законы.

            Фаза – часть гетерогенной системы, ограниченная поверхностью раздела и характеризующая в отсутствие внешнего поля сил одинаковыми физическими и химическими свойствами во всех своих точках. При не слишком высоких давлениях, когда газы полностью смешиваются друг с другом, в системе может быть только одна газовая фаза, но несколько твердых и жидких фаз.

            Компонент – индивидуальное химическое вещество, которое может быть выделено в чистом виде.

            Число независимых химических компонентов – это наименьшее число индивидуальных химических веществ, необходимое и достаточное для образования всех фаз данной системы.

            Вариантность системы – число независимых термодинамических переменных, которые можно независимо изменять, сохраняя фазовый состав (число фаз) системы.

            Правило фаз дает следующую связь между вариантностью системы (W), числом независимых химических компонентов (К’) и числом фаз (Ф):

W = K’ – Ф + 2

            Химический потенциал компонента (μ_i) – изменение свободной энергии Гиббса при добавлении к системе одного моля данного компонента при условии, что система поддерживается при постоянной температуре и давлении, а общее число молей вещества в системе очень велико:

.

            Если постоянными поддерживаются другие параметры, то химический потенциал может быть вычислен, как

, , .

Здесь G – свободная энергия Гиббса; F – свободная энергия Гельмгольца; H – энтальпия; U – внутренняя энергия; S – энтропия; V – объем; T – температура; P – давление; n – число молей.

            Парциальная мольная величина – это частная производная от любой экстенсивной переменной Ф по количеству i-го компонента (в молях) при постоянных давлении, температуре и числах молей остальных компонентов системы:

.

Общее (интегральное) значение свойства Ф выражается суммой вкладов всех компонентов

.

            Парциальные мольные величины компонентов при постоянных Р и Т связаны уравнением Гиббса – Дюгема:

=0.

Уравнение Гиббса – Дюгема показывает, что изменения парциальных мольных величин при изменении состава системы являются взаимосвязанными.

            Условие химического равновесия. Если в системе, содержащей вещества А_i возможна химическая реакция

,

то для их химических потенциалов выполняется соотношение

,

где ν_i – стехиометрические коэффициенты.

Условия фазового равновесия.

Рассмотрим произвольную систему, находящуюся при постоянных температуре и давлении, и сформулируем условия фазового равновесия исходя из общего положения о минимуме потенциала Гиббса в состоянии равновесия при Р, Т = const.