Diagramas de fases (2014)

Resumen Español
Universidad Universidad Rovira y Virgili (URV)
Grado Química - 2º curso
Asignatura TERMODINAMICA
Año del apunte 2014
Páginas 5
Fecha de subida 07/12/2014
Descargas 4
Subido por

Vista previa del texto

1 TEMA 3. Diagrama de fases en substàncies pures 3.1 Algunes definicions.
3.2 Diagrames de fases.
3.3 Regla de les fases 3.4 Equilibri de dues fases 3.1 Algunes definicions.
Fase d’una substància és un estat de la matèria que és homogèni tant en la seva composició química com en el seu estat físic. Parlarem de fase líquida, sòlida o gas Un gas, una mescla de gasos o una mescla de dos líquids miscibles formen una única fase. Si el dos líquids són inmiscibles tenim dues fases. Una aleació de dos metalls pot constituir un sistema de dues fases si el dos metalls són inmiscibles o una fase si són sòlids miscibles.
La conversió reversible d’una fase a una altre es dóna a una temperatura característica per a una pressió donada. La conversió espontània es dóna quan, en aquestes condicions de p i T hi ha una altra fase més estable.
(s) <(l) T<0ºC i (s) >(l) T>0ºC Temperatura de transició la temperatura a la que els dos potencials químics coincideixen, (s) =(l), per a una pressió fixa.
3.2 Diagrames de fases.
Els diagrames de fases d’una substància pura mostra les regions de pressió i temperatura en les que les fases són termodinàmicament estables. Els límits entre les fases donen els valors de P i T en les que les dues fases coexisteixen.
H2O 2 La corba sòlid-líquid corresponen als punts de congelació a varies pressions, la líquid-vapor és un representació de la pressió de vapor del líquid en funció de la temperatura i la sòlid-vapor correspon a la pressió de vapor de sublimació Pressió de vapor La pressió de vapor en equilibri amb la fase condensada es coneix com a pressió de vapor. La pressió de vapor d’una substància creix amb la temperatura.
La temperatura crítica Tc és aquella en que la densitat de la fase líquida i gas és la mateixa i només existeix una única fase. La corresponent pressió de vapor es coneix com a pressió crítica, Pc.
En un recipient obert un líquid es comporta diferentment que en un recipient tancat. El líquid està en contacte amb una fase gas formada pel seu propi vapor i altres components gasosos.
L’equilibri s’ha d’establir entre el vapor del líquid i la pressió de vapor que en aquest cas és la pressió parcial del component a la mescla gasosa que constitueix la fase vapor. Si aquesta pressió parcial és menor que la pressió de vapor (a la temperatura a la que es troba el sistema) el líquid es vaporitza. Quan aquesta pressió s’iguala o es fa lleugerament superior a la pressió externa la vaporització té lloc en tot el líquid i es diu que el líquid bull. A la temperatura corresponent se la coneix com a temperatura d’ebullició a aquella pressió externa. Per a una substància pura roman constant durant el procés d’ebullició.
Ubicació Altitud (m) Temperatura ebullició de l'aigua (ºC) Mar Mort -393.5 101 Venecia Nivell de Mar 100 Denver (Colorado) 1609 94.5 Ciutat de Mèxic 2240 93 Quito, Ecuador 2849 94 Lasa, Tibet 3683 87.5 Mont Everest 8847 71 L'augment de pressió permet arribar a temperatures més elevades de l'aigua i en conseqüència hi ha una ebullició més ràpida Humitat relativa Relació entre la quantitat de vapor d’aigua que hi ha en l’aire i la màxima que hi pot haver-hi a una temperatura determinada. La primera quantitat és la pressió parcial de l’aigua en l’aire i la segona és la pressió de vapor de l’aigua a aquesta temperatura.
A 25 ºC la Pv de l’aigua és 23.7 mmHg. Si la pressió parcial PH 2O és 16.5 mmHg la humitat 16.5 *100  69% . Si la temperatura baixa a 19ºC a la que li correspon una Pv de 16.5 23.76 mmHg l’aire es satura i la humitat relativa serà del 100%. Per sota d’aquest temperatura començarà la condensació.
relativa és 3 Calor latent de canvi d’estat Un canvi de fase a T i P constants sol anar acompanyat d’un canvi d’entalpia que rep el nom de calor latent de canvi de fase.
Hi ha calors latent de fusió (sòlid - líquid), de sublimació (sòlid - vapor), de vaporització (líquid vapor) i de transició (sòlid - sòlid).
Pel calor de vaporització H vap  U vap  PVvap , usualment a pressions baixes o moderades H vap  U vap és la diferència entre les energies d’interacció molecular entre el gas i el líquid La vaporització d’un líquid requereix un consum energètic que és el principi de que l’aigua d’un canti sempre sigui fresca i que la sauna sigui útil per eliminar aigua del cos.
El cos sua per rebaixar la seva temperatura a través de l’evaporació de l’aigua. Quan es troba sota una humitat i temperatures elevades el cos humà sua però l’aigua no s’evapora i en conseqüència no s’assoleix l’objectiu de refredar-se.
Temperatura crítica Taula. Temperatures crítiques(ºC) Gasos permanents Gasos condesables Heli -268 Diòxid de carboni Hidrogen -240 Età Nitrogen -147 Propà Oxigen -119 Diòxid de sofre Metà -82 líquids 81 Etanol 32 Benzè 97 Aigua 158 243 289 374 Les substàncies que coneixem com a gasos (gasos permanents) tenen temperatures crítiques molt baixes. En canvi, és impossible tenir CO2 líquid a una temperatura superior a 31 ºC Punt triple És aquell únic punt en que les tres corbes d’equilibri coincideixen. El punt triple d’una substància pura està fora del nostre control i és característic de cada substància. En l’aigua, està a 273.16 ºK i 611 Pa (6.11 mbar, 4.58 Torr). En el diòxid de carboni es troba a 216.8 ºK i 5.11 atm. Atès que el punt triple està per damunt de la pressió atmosfèrica el diòxid de carboni no existeix com a líquid a la pressió atmosfèrica sigui quina sigui la temperatura. Una bombona de CO2 contindrà normalment el líquid en equilibri amb el seu vapor que a 25ºC serà de 67 atm. Quan el gas s’expandeix a l’exterior es refreda per efecte Joule-Thomson. Una caiguda d’unes 60 atms implica una davallada d’uns 60ºC. El CO2 condensa formant-se sòlid finament dividit, que es coneix com a neu carbònica.
3.3 Regla de les fases Relaciona el nombre de variables intensives independents d’un sistema amb el nombre de graus de llibertat.
Considerem un sistema format per F fases i C components s’han de definir  C*F components (C+2)*F variables intensives 4  La temperatura i la pressió en cada fase Si l’equilibri s’estableix entre totes les fases la pressió, la temperatura i tots els potencials químics són únics en totes les fases, tenim les següents relacions T  T   P  P   1  1    (F-1) relacions * (C+2) variables 2  2     ...
c  c     Hi ha també una equació de Gibbs-Duhem per cada fase S dT  V dP   ni d i  0 , ...⇒ F relacions i El nombre de graus de llibertat és L = (C+2)*F – (F–1)*(C+2) – F ⇒ L=C+2-F 3.4 Equilibri de dues fases Equació de Clapeyron En un sistema d’un sol component quan dues fases es troben en equilibri només hi ha un grau de llibertat. La regla de les fase ens diu que una sola variable intensiva serà necessària per descriure l’estat d’equilibri.
Segons l’equació de Gibbs-Duhem (G-D) SdT  VdP  nd   0 Si dues fases  i  es troben en equilibri es compleix que els seus potencials químics són igual     . Un canvi al llarg de la corba d’equilibri implicarà d   d   .
En conseqüència,  S dT  V dP   S  dT  V dP 5 dP S   S S   dT V  V V ⇒ dP H  dT T V en un procés reversible S  qrev H  T T equació de Clapeyron Algunes conseqüències de l’equació de Clapeyron,   Les pendents de les corbes sòlid-vapor i líquid-vapor són positives ja que H i V prenen valors positives.
El signe de les corbes sòlid-líquid depèn de si la fase líquida és més o menys densa que la líquida.
Equació de Claussius-Clapeyron En equilibris sòlid-vapor o líquid-vapor, on Si el gas es comporta idealment V  ⇒ d ln p  V  Vg  Vs ,l  Vg RT P l’equació de Clapeyron es converteix en dP H  dT P T 2R V  0 ; dP H H  P   dT T V T 2R H dT R T2 La integració entre T1 i T2 i P1 i P2 porta si H no és funció de la temperatura ln P2 H  P1 R 1 1     T2 T1  equació de Claussius-Clapeyron ...