background image

 

1

Równowaga 

ciecz - para 

w układach 

dwuskładnikow

ych (a)

Waldemar Ufnalski

Wprowadzenie do termodynamiki 

chemicznej

Wykład 12a

50

100

150

200

250

300

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

X

, y

B

P

/T

r

A

B

P*

A

P*

B

P(x

B

)

P(y

B

)

faza ciekła (c)

faza gazowa (g)

c + g 

background image

 

2

12.2. Reguła faz i relacje 

podstawowe

Wykład 12a

background image

 

3

g

c

y

B

x

B

P, T = const

Układ dwuskładnikowy dwufazowy 
(c + g)...

Liczba stopni swobody = k - f + 2 = 2 - 2 + 2 = 2

Bada się zależności:

1) Izotermy (T = const)

• P(x

B

)

T=const

 - izoterma parowania

• P(y

B

)

T=const

 - izoterma 

kondensacji

• y

B

(x

B

)

T=const

 - skład pary w funkcji 

składu cieczy

2) Izobary (P = const)

• T(x

B

)

P=const

 - izobara wrzenia

• T(y

B

)

P=const

 - izobara kondensacji

• y

B

(x

B

)

P=const

 - skład pary w funkcji 

składu cieczy wrzącej

background image

 

4

g

y

B

P, T = const

x

B

x

B

Układ dwuskładnikowy trójfazowy (c

 

+ c

 + g)...

Liczba stopni swobody = k - f + 2 = 2 - 3 + 2 = 1

Wnioski:

Prężność pary i składy 
wszystkich faz są jednoznacznie 
określone przez temperaturę 
narzuconą układowi.

Temperatura wrzenia i składy 
wszystkich faz są jednoznacznie 
określone przez ciśnienie 
narzucone układowi. 

background image

 

5

12.3. Układ doskonały - 

prawo Raoult’a

Wykład 12a

background image

 

6

Układ doskonały (T = 
const)...

Czysty B

(g)

P

*B

Czysty B

(c)

P

*B

Czysty B

(c)

P

B

(g)

 w parze nad 

roztworem P, y

B

B

(c)

 w roztworze

 P, x

B

T=co
nst



B

(

4)



B

(

3)



B

(

2)



B

(

1)



B

(

5)

background image

 

7

Układ doskonały (T = const)...

 

0

2

B

 

0

5

B

 

*

ln

B

B

B

P

P

RT

1

 

B

B

x

RTln

4

 

*

*

B

B

B

P

P

V

3

Przeniesienie składnika B między 
fazami będącymi w stanie równowagi

Izotermiczna zmiana 
ciśnienia gazu doskonałego

Izotermiczne przeniesienie 
do roztworu doskonałego

Izotermiczna zmiana 
ciśnienia substancji ciekłej

Bilans:

 

 

 

 

 

0

1

5

4

3

2

B

B

B

B

B

background image

 

8

Układ 
doskonały...

Wobec:

Bilans:

0

*

*

*

ln

ln

B

B

B

B

B

P

P

V

x

RT

P

P

RT

RT

P

P

V

x

P

P

B

B

B

B

B

*

*

*

ln

(1
)

4

10

RT

P

P

V

B

B

*

*

1

B

B

B

x

P

P

*

B

B

B

x

P

P

*

- dla dowolnego składnika

Prawo Raoult’a: 

Ciśnienie cząstkowe 

składnika w parze jest proporcjonalne do 
jego ułamka molowe - go w cieczy - 
współczynnikiem proporcjonalności jest 
prężność jego pary nasyconej.

(2
)

background image

 

9

Układ doskonały dwuskładnikowy (T 
= const)...

Izoterma parowania:

(3
a)

B

B

B

A

A

A

x

P

P

x

P

P

*

*

B

B

B

A

A

A

x

P

Py

x

P

Py

*

*

(3b
)

B

A

B

A

x

P

P

P

P

*

*

*

(4
)

  

1

1

B

A

B

A

B

B

x

P

P

P

P

y





*

*

*

*

B

A

B

B

B

A

y

P

P

P

P

P

P

*

*

*

*

*

Równowagowy skład faz:

Izoterma kondensacji:

(5
)

(7
)

background image

 

10

Układ doskonały dwuskładnikowy (T 
= const)...

0

50

100

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

x

B

P

/T

r

A

B

P

B

P

A

P

P*

A

P*

B

Izoterma 
parowania 
oraz 
prężności 
par 
składników
.

background image

 

11

Układ doskonały dwuskładnikowy (T 
= const)...

Skład pary w 
funkcji 
składu cieczy:

B/A

 = P*

B

/P*

A

1) 6,667
2) 2,667
3) 0,333
4) 0,133

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

x

B

y

B

1

2

3

4

B

A

background image

 

12

Układ doskonały dwuskładnikowy (T 
= const)...

Diagram 
fazowy (T = 
const)

50

100

150

200

250

300

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

X

, y

B

P

/T

r

A

B

P*

A

P*

B

P(x

B

)

P(y

B

)

faza ciekła (c)

faza gazowa (g)

c + g 

background image

 

13

Układ doskonały dwuskładnikowy (T 
= const)...

Bilans 
materiałowy 
(reguła 
dźwigni)
 

a n

C

 = b n

G

0

100

200

300

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

X

, y

B

P

/T

r

A

B

P

P’

a

G

b

C

S

S’

x

B

S

2

S”

S

1

background image

 

14

Układ doskonały dwuskładnikowy (T 
= const)...

Sprężanie / rozprężanie...

50

100

150

200

250

300

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

x

, y

B

P

/T

r

S

4

S

2

S

1

G

4

S

5

S

3

C

2

C

3

G

3

P’

P

S

3

S

5

S

1

background image

 

15

Układ doskonały dwuskładnikowy (T 
= const)...

Sprężanie / rozprężanie...

S

3

S

5

S

1

50

100

150

200

250

0

,0

E

+

0

0

5

,0

E

+

0

4

1

,0

E

+

0

5

1

,5

E

+

0

5

2

,0

E

+

0

5

2

,5

E

+

0

5

V/(cm

3

/mol)

P

/T

r

S

4

P

P’

S

1

S

3

S

2

S

5

background image

 

16

Układ doskonały dwuskładnikowy (P 
= const)...

Interpretacja graficzna...
A - benzen
B - toluen

200

400

600

800

1000

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

x

B

P

/T

r

1

4
3

2

6

5

8

7

A

B

Lp.   T/K    P*

A

/Tr  P*

B

/Tr

 1      350      

686,8      

260,9

 2      355      

801,8      

310,3

 3     360       

931,3

367,0

 4     365     

1076,6

431,6

 5     370     

1238,9

505,1

 6     375     

1419,4

588,2

 7     380     

1619,5

681,8

 8     385     

1840,6

786,8

P = 760,0 Tr

*

*

*

A

B

A

B

P

P

P

P

x

(8
)

background image

 

17

Układ doskonały dwuskładnikowy (P 
= const)...

Interpretacja graficzna...
A - benzen
B - toluen

(9
)

350

360

370

380

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

x

B

T

/K

A

B

2

4

3

7

6
5

T*

A

T*

B

faza ciekła (c)

faza gazowa (g)

c + g

  

1

1

B

A

B

A

B

B

x

P

P

P

P

y





*

*

*

*

Lp.   T/K    P*

A

/Tr  P*

B

/Tr

 1      350      

686,8      

260,9

 2      355      

801,8      

310,3

 3     360       

931,3

367,0

 4     365     

1076,6

431,6

 5     370     

1238,9

505,1

 6     375     

1419,4

588,2

 7     380     

1619,5

681,8

 8     385     

1840,6

786,8

background image

 

18

Układ doskonały dwuskładnikowy (P 
= const)...

Diagram fazowy 
(P = const)

350

400

450

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

x

B

, y

B

T

/K

T

w

(y

B

)

faza gazowa (g)

faza ciekła (c)

c + g

T

w

(x

B

)

T*

A

T*

B

A

B

background image

 

19

Układ doskonały dwuskładnikowy (P 
= const)...

Bilans 
materiałowy 
(reguła 
dźwigni)
 

a n

C

 = b n

G

350

400

450

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

x

B

, y

B

T

/K

T*

A

T*

B

A

B

S

1

S

S

S”

S

2

C

G

T”

T’

b

a

background image

 

20

Układ doskonały dwuskładnikowy (P 
= const)...

Ogrzewanie/oziębianie...

S

3

S

1

S

5

350

400

450

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

x

B

, y

B

T

/K

T*

A

T*

B

A

B

S

1

S

4

S

5

T”

T’

b

a

S

3

C

3

G

3

S

2

G

2

C

4

background image

 

21

Układ doskonały dwuskładnikowy (P 
= const)...

Izobara van Laara...

(10a
)

Potencjały chemiczne skladnika B w każdej z faz:

(11
)

 

 

 

B

c

B

B

c

B

x

RT

T

x

T

ln

,

*

 

 

 

B

g

B

B

g

B

y

RT

T

y

T

ln

,

*

(10b
)

 

 

 

RT

T

G

RT

x

y

B

c

B

g

B

B

B

*

*

*

ln

2

2

2

1

1

RT

H

RT

G

S

T

T

G

T

G

T

R

T

T

G

R

T

x

y

B

B

B

B

P

B

P

B

P

B

B

*

*

*

*

*

*

ln





(12
)

background image

 

22

Układ doskonały dwuskładnikowy (P 
= const)...

Izobara van Laara...

Założenie 
upraszczające:

(13
)

(14
)

const

H

B

par

*

I

T

R

H

x

y

B

par

B

B

1

*

ln

Wyznaczenie stałej 
całkowania:

*

B

T

I

T

R

H

B

B

par

*

*

ln

1

1

1

B

B

y

x













T

T

T

R

S

T

T

T

RT

H

T

T

R

H

x

y

B

B

par

B

B

B

par

B

B

par

B

B

*

*

*

*

*

*

*

ln

1

1

background image

 

23

Układ doskonały dwuskładnikowy (P 
= const)...

Izobara van Laara...

(15
a)

(17a/
b)

Symetrycznie dla obu 
składników:





T

T

T

R

S

x

y

B

B

par

B

B

*

*

ln

(15
b)





T

T

T

R

S

x

y

A

A

par

A

A

*

*

ln

Rozwiązanie układu równań 
(15a/b):

 

 

 

B

A

A

B

x

exp

exp

exp

1

 

 

 

B

A

B

B

A

B

y

exp

exp

exp

exp

 





T

T

T

R

S

T

B

A

B

A

par

B

A

*

/

*

/

/

Krzywa wrzenia 
(16a)

Krzywa 
kondensacji(16b)

background image

 

24

Diagram fazowy 
(P = const)

Układ doskonały dwuskładnikowy (P 
= const)...

325

350

375

400

425

450

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

x

B

, y

B

T

/K

 

A

B

par

S*

A

/R = 

par

S*

B

/R = 

10,40
T*

A

 = 300 K

T*

B

 = 450 K

background image

 

25

Diagram fazowy 
(P = const)

Układ doskonały dwuskładnikowy (P 
= const)...

par

S*

A

/R = 

par

S*

B

/R = 

10,40
T*

A

 = 300 K

T*

B

 = 400 K

325

350

375

400

425

450

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

x

B

, y

B

T

/K

 

A

B

background image

 

26

Diagram fazowy 
(P = const)

Układ doskonały dwuskładnikowy (P 
= const)...

par

S*

A

/R = 

par

S*

B

/R = 

10,40
T*

A

 = 350 K

T*

B

 =  :

1) 375 K
2) 400 K
3) 325 K
4) 300 K

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

x

B

y

B

1

2

3

4

background image

 

27

Trudne problemy pozostawione 
same sobie staną się jeszcze 
trudniejsze.

Wniosek to punkt, w którym nie 
masz już siły dalej myśleć.

(wybrane prawa Murphy’ego)


Document Outline