Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
RAVNOTEŽA FAZA:
JEDNOKOMPONENTNI
SISTEMI
KRIVA ZAGREVANJA
Dovedena toplota (podeok na apscisi iznosi 8 kJ)
ledled i tečna voda (topljenje)
tečna voda
tečna voda i para
(isparavanje)
vodena para
Tem
pera
tura
(°C
)1 mol H2O
ENERGETSKE PROMENE
KOJE PRATE PROMENE FAZA
gas
tečnost
čvrsto
isparavanje kondenzacija
topljenje mržnjenje
sublimacija depozicijaenergija
sistema
POJMOVI
• Faza, p
• Broj nezavisnih komponenata, c
• Broj stepeni slobode, F
FAZE
jednofazni (homogeni) sistemi
višefazni (heterogeni) sistemi
KOMPONENTE
Postoji samo fizička ravnoteža → broj nezavisnih komponenata jednak
je ukupnom broju prisutnih hemijskih vrsta.
Dolazi do hemijske reakcije između prisutnih vrsta (postoji jedna ili više
hemijskih ravnoteža) → broj nezavisnih komponenata jednak je ukupnom
broju prisutnih komponenata umanjenom za broj hemijskih ravnoteža.
CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g)
p = 3 (dve čvrste i jedna gasovita faza)
broj prisutnih hemijskih vrsta = 3
c = 2 (broj prisutnih hemijskih vrsta – broj hemijskih ravnoteža = 3 - 1)
STEPENI SLOBODE
Uslovi koji se mogu menjati su intenzivne veličine (p, T, sastav).
T rastep raste
TERMODINAMIČKA RAVNOTEŽA
Ravnotežni uslovi između faza i
Oblik
ravnoteže
Ekstenzivni
parametar
Intenzivni
parametar
Ravnotežni
uslov
Termička S T T = T
Mehanička V p p = p
Hemijska ni i =
TERMIČKA RAVNOTEŽA
Ne postoji prenošenje toplote između faza, jer je temperatura u svim
fazama ista.
Uslov ravnoteže:
.
.
constn
constV
i
0 dSTdSTdq
TT
MEHANIČKA RAVNOTEŽA
Ne postoji kretanje unutar sistema, što je ispunjeno kada je pritisak
u svim fazama sistema isti.
Uslov ravnoteže:
.
.
constT
const
0 dVpdVpdw
pp
HEMIJSKA RAVNOTEŽA
Nema promene sastava u bilo kojoj tački, što je ispunjeno kada su
hemijski potencijali svake od komponenata isti u svakoj od faza.
Uslov ravnoteže:
.
.
constT
constp
0 iiii dndndG
ii
FAZNE TRANSFORMACIJE
Primena zakona termodinamike na fazne transformacije čistih
supstancija: kako znamo koja je faza prisutna na datom pritisku i
temperaturi?
Gibsova energija može dati odgovor: prisutna je faza čiji je
hemijski potencijal niži. Spontani procesi imaju negativnu
promenu Gibsove slobodne energije.
TERMODINAMIČKA RAVNOTEŽA
I HEMIJSKI POTENCIJAL
Najstabilnija je faza sa najnižim hemijskim potencijalom.
TERMODINAMIČKA RAVNOTEŽA
I HEMIJSKI POTENCIJAL
Jednokomponentni sistem
KRITERIJUM RAVNOTEŽE
isti hemijski potencijal
),,(),,( PTbPTa
FAZNI DIJAGRAMI
Grafički prikaz koji opisuje uslove u sistemu (stabilne faze) kao
funkciju nezavisno pormenljivih, kao što su temperatura, pritisak
i sastav.
Mala promena T ili p može favorizovati jednu fazu u odnosu na druge.
Prevođenje jedne faze u drugu je fazna transformacija.
BRZINE FAZNIH PRELAZA
U gasovima i tečnostima ove promene mogu da se dese brzo, ali u čvrstom
stanju termodinamička nestabilnost može ostati “zamrznuta” u sistemu.
Primer: dijamant i grafit.
Metastabilne faze: Termodinamički nestabilna faza može opstati zbog
kinetičke smetnje.
Spontanost prelaza
Termodinamika može predvideti
spontanost fizičkih transformacija, ali
ne i brzinu.
Brzine prelaza
Kinetika predviđa brzinu kojm se
transformacija dešava ali ne i
spontanost.
GIBSOVO PRAVILO FAZA
veza p, c i F
Stanje sistema sa p faza i c komponenata u ravnoteži je određeno ako su
određeni temperatura, pritisak i sastav u svakoj fazi.
F = ukupan broj promenljivih – broj zavisno promenljivih
c 11
c 12
c 1c
c 21
c 22
c 2c
c p1
c p2
c pc···
···
···
···
···
···
GIBSOVO PRAVILO FAZA
Ukupan broj promenljivih = c·p + 2
c·p – sastav svake faze
2 – temperatura i pritisak
Broj zavisno promenljivih = p + c·(p - 1)
Sastav svake faze je određen c - 1 promenljivom.
Termodinamički uslov za ravnotežu:
p j-na
c·(p – 1) j-na
i
ix 1
p
iii 21
2 pcF
FAZNI DIJAGRAM: C = 1
Jednačine koje se koriste za dobijanje dijagrama stanja:
• Gibsovo pravilo faza
• Klapejronova jednačina
• Klauzijus-Klapejronova jednačina
Jednokomponentni sistemi (promenljive veličine su p i T)
dvovarijantni sistem (površ)
jednovarijantni sistem (kriva)
nonvarijantni sistem (tačka)0,3.3
1,2.2
2,1.1
32,1
Fp
Fp
Fp
ppcFc
GRANICE FAZA
KRITIČNA TAČKA I TAČKA KLJUČANJA
Otvoren sistem: para se slobodno širi u okolinu – ključanje (napon pare
je jednak spoljašnjem pritisku).
Normalna tačka ključanja (p =1 atm ; npr., voda: Tk = 100oC)
Standardna tačka ključanja (p =1 bar; npr., voda: Tk = 99,6oC)
Zatvoren sistem:
(b) porast temperature porast gustine
(c) kritična temperatura: gustine dve faze
izjednačene, granica između faza nestaje
(superkritični fluid)
NAGIBI GRANICA FAZA
Faze i u ravnoteži:
TpTp ,,
VT
H
V
S
dT
dp
fp
fp
fp
fp
Klapejronova jednačina:
GRANICA ČVRSTO-TEČNO
)(
,
č
m
t
m
mtop
VVT
H
dT
dP
constVconstH mtopmtop ,,
1
2,
12 lnT
T
V
HPP
tm
mtop
1
12
1
12
1
2 1lnlnT
TT
T
TT
T
T
1
12,
12T
TT
V
HPP
tm
mtop
KLAUZIJUS-KLAPEJRONOVA JEDNAČINA
p
RTT
H
TV
H
VT
H
dT
dp fp
g
fp
fp
fp
2
ln
RT
H
dT
pd fp
21
12
11lnln
TTR
Hpp
TEČNO-PARA I ČVRSTO-PARA
• Clausius-Clapeyron-ova jednačina primenjena na isparavanje i sublimaciju.
– Za sublimaciju zamenjujemo subH za ispH
– Pretpostavke/ aproksimacije su:
• V Vg i
• Vg RT/p
2
,
2
,ln
RT
H
RT
L
dT
pd msubmsub
gtgč
mispmsub
dT
dp
dT
dp
HH
,,
DIJAGRAM FAZA ZA CO2
Trojna tačka:
Ttt = - 56°C
ptt = 518 kPa
(ptt >> patm = 101kpa)
SUPERKRITIČNI CO2
Ekstrakcija kofeina iz zrna kafe vrši se u superkritičnom CO2
DIJAGRAM FAZA ZA VODU
DIJAGRAM FAZA ZA VODU
LED I
KRISTALNE MODIFIKACIJE H2O
FAZNI DIJAGRAMI ZA SUMPOR I FOSFOR
Enantiotropija Monotropija
rombični
monoklinični
Polimorfizam - sposobnost da se formira više od jedne kristalne strukture
(kod elemenata - alotropija)
DIJAGRAM FAZA UGLJENIKA
gas
tečno
čvrsta faza
dijamant
čvrsta faza
grafit
ALOTROPNE MODIFIKACIJE UGLJENIKA
grafit dijamant fuleren
FULEREN – C60
DIJAGRAM FAZA HELIJUMA