chf_im_sem_1c.pdf

(162 KB) Pobierz
Microsoft Word - chf_im_sem_1c.DOC
1
2. RÓWNOWAGI FAZOWE
Zadania przykładowe
2.1. Obliczyć wyrażenia dT/dP dla procesu parowania wody i topnienia
lodu, jeżeli ciepło parowania wody w temperaturze 100 o C wynosi 40,66 kJ⋅mol -1
, a ciepło topnienia lodu wynosi 6,0 kJ⋅mol -1 w temperaturze 0 o C. Gęstości lodu i
wody w temp. 0 o C wynoszą odpowiednio 0,920 g⋅cm -3 i 0,999 g⋅cm -3 .
Rozwiązanie
Równanie Clausiusa-Clapeyrona dla przemiany ciało stałe - ciecz można
zapisać następująco:
dP
dT
=
H
TV V
t
(2.1.1)
( )
c
s
gdzie: ∆H t - molowe ciepło topnienia lodu,
s i V c - odpowiednio objętości molowe wody stałej i ciekłej.
V
=
MHO
dHO
(
2
)
18
0 920
19 565
,
cm mol
3
1
= ⋅
19 565 10
,
6
m mol
3
1
s
(
)
,
2
()
V
c =
MHO
dHOc
(
2
)
()
= =
18
0 999
18 018
,
cm mol
3
1
= ⋅
18 018 10
,
6
m mol
3
1
( )
,
2
Przekształcamy równanie (2.1.1) i podstawiamy dane.
dT
dP
TV V
H
( ) (
273 18 018 10
,
⋅ − ⋅
6
19 565 10
,
6
)
=
c
s
=
=− ⋅
704 10
8
KPa
1
6000
t
Do obliczenia wartości dT/dP, słusznej dla zakresu temperatur bliskich tempe-
raturze wrzenia wody, skorzystamy ze zmodyfikowanego równania Clausiusa-
Clapeyrona
dP
dT
=
PH
RT
p
2
st¹d
1
= =
s
,
91493105.004.png
2
dT
dP
RT
PH
2
8 314 373
1 013 10 40660
,
⋅ ⋅
2
= =
=⋅ ⋅
281 10
,
4
KPa
1
,
5
p
Jak widać, wpływ ciśnienia zewnętrznego na temperaturę wrzenia jest około 4
rzędy większy niż na temperaturę topnienia.
2.2. Wyznaczyć współrzędne punktu potrójnego benzenu, jeżeli w
temp.10 o C prężność par nad ciekłym benzenem wynosi 6170 Pa, natomiast w
temp. 0 o C prężność par nad stałym benzenem wynosi 3330 Pa.Ciepło topnienia
benzenu wynosi 10,6 kJ⋅mol -1 , natomiast ciepło sublimacji 43,9 kJ⋅mol -1 .
Rozwiązanie
Skorzystamy z równania Clausiusa-Clapeyrona w postaci:
lg
P
P
2
=
H
RT T
11
23
,
1
1
2
gdzie: ∆H - jest odpowiednio ciepłem parowania lub sublimacji .
Równanie to jest słuszne dla przemian ciecz-para i ciało stałe-para przy zało-
żeniach:
a) ciepło parowania lub sublimacji nie jest funkcją temperatury,
b) objętości fazy stałej i ciekłej są do pominięcia wobec objętości fazy gazowej,
c) pary substancji zachowują się jak gazy doskonałe.
W temperaturze punktu potrójnego (T pp ) prężność par nad ciekłym i stałym
benzenem będzie taka sama (P pp ).
Zapiszmy powyższe równanie dla procesu parowania i sublimacji zastępując P 1
i T 1 współrzędnymi punktu potrójnego.
lg
P
P
s
=
H
RT T
s
11
i
lg
P
P
c
=
H
RT T
p
11
23
23
,
pp
pp
s
pp
pp
c
Po podstawieniu danych otrzymujemy:
3330 43900
23
1
1
273
6170 33300
23
1
1
283
lg
=
i
lg
=
P
,
R T
P
,
R T
pp
pp
pp
pp
Ciepło parowania obliczamy z zależności:
∆H p = ∆H s - ∆H t = 43,9 - 10,6 = 33,3 kJ⋅ mol -1
Po rozwiązaniu układu równań otrzymujemy:
T pp = 278,86 K
P pp = 5 . 10 3 Pa
2
,
91493105.005.png
3
2.3. Prężność par nad stałym VF 6 dana jest równaniem:
lg
P
s = − ⋅
12 763 25591
,
,
1
(2.3.1)
T
a nad ciekłym:
1 (2.3.2)
lg
P
c = − ⋅
9 678 1511 3
,
T
Wyznaczyć temperaturę i ciśnienie odpowiadające punktowi potrójnemu oraz
obliczyć ciepło parowania i topnienia VF 6 .
Rozwiązanie
W punkcie potrójnym prężność par nad stałym i ciekłym VF 6 jest taka
sama. Porównując zatem prawe strony przedstawionych zależności otrzymamy:
12 763 25591
− ⋅ = − ⋅
T
,
1
9 678 1511 3
,
,
1
T
pp
pp
stąd
pp =339,6 K
Podstawienie wyznaczonej temperatury punktu potrójnego do dowolnego z
równań daje nam wartość ciśnienia w punkcie potrójnym
P pp = 1,68 . 10 5 Pa
Zależność prężności pary nad cieczą lub fazą stałą od temperatury przy
założeniu, że ciepło parowania lub sublimacji nie zależy od temperatury, dana
jest równaniem:
ln P
=− +
H
RT
const
(2.3.3)
Zamieniając logarytm dziesiętny w równaniu (2.3.1) na naturalny otrzymujemy:
ln
P
s =−
2 3 25591
,
,
+⋅
2 3 12 763 (2.3.4)
,
T
z porównania równania (2.3.3) z równaniem (2.3.4) wynika, że
∆H
R
s =⋅
2 3 25591
, stąd ∆H s = 48935 J⋅mol -1 = 48,94 kJ⋅mol -1
Postępując podobnie z równaniem (2.3.2) otrzymamy:
∆H
R
p =⋅
2 3 1511 3
, stąd ∆H p = 28899 J⋅mol -1 = 28,90 kJ⋅mol -1
Wiadomo, że ciepło sublimacji równe jest sumie ciepeł topnienia i parowania
zatem:
∆H t = ∆H s - ∆H p = 48,94 - 28,90 = 20,04 kJ⋅mol -1
3
,
,
,
,
,
91493105.006.png 91493105.007.png
4
2.4. Obliczyć ciepło parowania eteru dietylowego w normalnej
temperaturze wrzenia 307,9 K, jeżeli dP/dT = 3,53⋅10 3 Pa K -1 . Obliczyć także
temperaturę wrzenia eteru dietylowego pod ciśnieniem 1020 hPa.
Rozwiązanie
Przy założeniu, że pary eteru dietylowego zachowują się jak gaz doskonały,
i przy pominięciu objętości cieczy zmodyfikowane równanie Clausiusa-
Clapeyrona można zapisać w postaci:
dP
dT
=
PH
RT
p
2
st¹d
RT
P
2
dP
dT
8 314 307 9
1 013 10
,
2
∆H
p = ⋅ =
⋅ ⋅ = ⋅
,
3
,
kJ mol
1
,
5
Do obliczenia temperatury wrzenia eteru dietylowego pod ciśnieniem 1020 hPa
= 1,02 10 5 Pa potrzebna nam jest zależność dT/dP, a więc zmiana temperatury
wrzenia ze zmianą ciśnienia o 1 Pa.:
dP/dT = 3,53 10 3 Pa K -1 ; dT/dP = 2,832 10 -4 K⋅Pa -1
Poszukiwaną temperaturę wrzenia pod ciśnieniem 1,02 10 5 Pa obliczymy ze
wzoru:
2.5. Ciecze A i B tworzą roztwór doskonały. Prężności par nad czystymi
składnikami wynoszą P o A = 6 10 4 Pa i P o B = 4 10 4 Pa w temperaturze 310 K.
Obliczyć sumaryczne ciśnienie nad roztworem, w którym ułamek molowy
składnika A wynosi 0,5 w temperaturze 310 K oraz skład par nad tym
roztworem.
Rozwiązanie
Sumaryczna prężność par nad roztworem równa jest sumie prężności
cząstkowych składników
P = P A + P B
Prężności cząstkowe znajdziemy z prawa Raoulta
P i = P o i X i
4
,
353 10 2747
T w (P=1,02 10 5 ) = T w (1,013 10 5 ) + (dT/dP) ∆P
zatem T = 307,9 + 2,832 10 -4 (1,02 10 5 - 1,013 10 5 ) = 308,1 K
91493105.001.png
5
gdzie: P o i - prężność pary nad czystym składnikiem,
X i - ułamek molowy składnika w roztworze.
Zatem:
P = P o A X A + P o B X B
Suma ułamków molowych składników roztworu równa jest oczywiście jedności.
Stąd: X B = 1 - X A = 1 - 0,5 = 0,5
Po podstawieniu otrzymujemy:
P = 6 10 4 . 0,5 + 4 10 4 . 0,5 =5⋅10 4 Pa
Ułamek molowy składnika mieszaniny gazowej (para) dany jest równaniem:
Y A = (P A / P)
P A wyrazimy za pomocą znanej już zależności P A = P o A ⋅ X A
st¹d:
PX
P
610 05
510
⋅ ⋅
4
,
Y
=
A
A
=
=
06
,
A
4
Y B = 1 - Y A = 0,4
2.6. Prężność par nad roztworem doskonałym zawierającym 3 mole
składnika A i 7 moli składnika B wynosi 1 10 5 Pa w temperaturze 338 K. Do-
datek 4 moli składnika A do tego roztworu powoduje wzrost prężności par do
1,2 10 5 Pa w tej samej temperaturze. Obliczyć P o A i P o B oraz skład par znajdu-
jących się w równowadze z pierwszym roztworem w temperaturze 338 K.
łamek molowy składnika roztworu dany jest zależnością:
X
=
n
n
i
i
i
- sumaryczną liczbę moli wszystkich składników roztworu.
Dla pierwszego roztworu
3
37 03
X
A
=
+
= ⇒ = − =
,
X
B
1 03 07
,
,
dla drugiego roztworu
X
=
34
14
+
= ⇒ = − =
05
,
X
1 05 05
,
,
A
B
5
o
Rozwiązanie
gdzie: n i - oznacza liczbę moli danego składnika,
n i
91493105.002.png 91493105.003.png
Zgłoś jeśli naruszono regulamin