【教学课件】第一章气体的PVT关系.ppt

第一章 气体的 PVT关系理想气体的状态方程理想气体混合物气体的液化和临界参数对应状态原理和压缩因子对应状态原理和压缩因子状态方程 气体气体气体气体 V V受受受受T T、P P影响大影响大影响大影响大 固体固体固体固体 V V受受受受T T、P P影响小影响小影响小影响小联系联系联系联系P P、V V、T T之间关系的方程之间关系的方程之间关系的方程之间关系的方程、液体液体液体液体物物 质质 的的聚集状态聚集状态pV=nRT 1.1.理想气体的状态方程理想气体的状态方程单位：单位：p-Pa V-m3 T-K nmol R=8.314 Jmol-1K-1 R=0.08206 atml mol-1K-1 也可以写为也可以写为 p Vm=R T p V=(m/M)R T由此由此 可计算可计算p、知三求一 两个状态间的计算。当一定时 p1V1/T1=p2V2/T2 3 导出量的计算质量、密度等 如：/M/p/()分子间有相互作用，分子本身有体积。理想气体的模型理想气体的模型 不不可可无无限限压压缩缩真实气体微观模型吸引力：吸引力：吸引力：吸引力：分子相距离较远时，分子相距离较远时，分子相距离较远时，分子相距离较远时，有范德华引力有范德华引力有范德华引力有范德华引力排斥力排斥力排斥力排斥力 ：分子相距离较近时，：分子相距离较近时，：分子相距离较近时，：分子相距离较近时，电子云及原子核产电子云及原子核产电子云及原子核产电子云及原子核产 生生生生 排斥力排斥力排斥力排斥力若用E 代表分子间相互作用的势能，则：E 吸引-1/r6 E 排斥 1/rn所以：E总=E 吸引+E排斥-A/r6+B/rn可无限压缩理想气体微观模型：分子间无相互作用，分子本身理想气体微观模型：分子间无相互作用，分子本身无体积无体积。理想气体定义理想气体定义：在任何条件下都服从在任何条件下都服从pV=nRT的气体的气体对实际气体讨论对实际气体讨论：p p0 0时符合理想气体行为时符合理想气体行为 低压下近似认为是理想气体低压下近似认为是理想气体 温度越高、压力越低，越符合理想气体温度越高、压力越低，越符合理想气体真实气体的状态方程 真实气体并不严格符合理想气体状态方真实气体并不严格符合理想气体状态方程，也就是说真实气体在方程程，也就是说真实气体在方程 pV=nRT 中的中的R不为常数。不为常数。真实气体只在温度不太低、压力不太高真实气体只在温度不太低、压力不太高的情况下近似符合理想气体状态方程。的情况下近似符合理想气体状态方程。理想气体混合物1.混合物组成表示：混合物组成表示：用物质量的分数表示用物质量的分数表示:(x表示气体，表示气体，y表示液体表示液体）对于物质对于物质B B显然显然用质量分数表示用质量分数表示:理气状态方程对理气混合物的应用理气状态方程对理气混合物的应用Mmix混合物的摩尔质量混合物的摩尔质量3.道尔顿分压定律分压定律分压定律：混合气体的总压等于混合气体中各组 分气体分压 之和 p=p1+p2+p=pB n=n1+n2+3.道尔顿分压定律分压的求解：分压的求解：阿马加定律（分体积定律）阿马加定律（分体积定律）1分体积定义 混合气体中某组份B单独存在，且具有与混合气体相同的温度、压力时所具有的体积称为组份B的分体积。用B表示。2阿马格分体积定律：混合气体的总体积，等于混合气体各组分单独存在于混合气体T、p条件下的体积之和。注意：p p 但是 p两者关系 例例.空气中氧气的体积分数为空气中氧气的体积分数为0.29，求，求101.325kPa、25时的时的1m3空气中氧气的摩空气中氧气的摩尔分数、分压力、分体积，并求若想得到尔分数、分压力、分体积，并求若想得到1摩尔纯氧气，至少需多少体积的空气。摩尔纯氧气，至少需多少体积的空气。（将空气近似看成理想气体）（将空气近似看成理想气体）解：解：1-3真实气体的PVT性质压缩因子定义：真实气体的PVT行为偏离理想气体行为，引入压缩因子Z：Z=pV/（nRT)Z=pVm/(RT)1.0P/PaCH4H2NH3理想气体Z=1真实气体与理想 气体没有偏差 Z1真实气体比理想 气体难压缩 Z1，难压缩；3、p较小时分子之间表现为 吸引力Z TT Tc c 气体不可液化一段光滑曲线 2.T=TT=Tc c 气体可液化的最高温度两段光滑曲 线中间有拐点,C点 3.TTTTc c 气体可以液化 水平线 气液共存 较陡的线为液体线 较平的线为气体线临界性质临界性质 C点为临界点，pC、VC、TC分别为临界压力、临界体积、临界温度。临界点临界点C特点：特点：高于临界温度，气体不高于临界温度，气体不 能液化能液化 临界点处临界点处:Vm（g）=Vm（l）临界点临界点C处处 能够使气体液化的最高温度称为此气体的能够使气体液化的最高温度称为此气体的临临界温度界温度。用。用TC或或 tC表示。临界温度是气体的表示。临界温度是气体的一个特性参数，不同的气体具有不同的临界一个特性参数，不同的气体具有不同的临界温度。温度。如氧气的临界温度为如氧气的临界温度为118.57，氮气的，氮气的临界温度为临界温度为147.0。临界温度时的饱和蒸气压称为临界温度时的饱和蒸气压称为临界压力临界压力，用用pC表示。表示。临界温度和临界压力下的摩尔体积为临界温度和临界压力下的摩尔体积为临界临界摩尔体积摩尔体积Vm,C。此时的状态为此时的状态为临界状态临界状态。TC、pC、Vm,C统统称为称为临界参数临界参数二二.P-V图图VPT1T2T3TcT4T5汽液两相区汽液两相区气气液液汽汽特性：特性：汽液两相区的比容差随温度和压汽液两相区的比容差随温度和压力的上升而减少，外延至力的上升而减少，外延至V=0V=0点，点，可求得可求得Pc,VcPc,Vc和和Tc.Tc.在单相区，等温线为光滑的曲在单相区，等温线为光滑的曲线或直线；高于线或直线；高于Tc的的等温线的的等温线光滑，无转折点，低于光滑，无转折点，低于Tc的的的的等温线有折点，由三部分组成。等温线有折点，由三部分组成。临界点处，等温线既是极值点临界点处，等温线既是极值点又是拐点又是拐点C1.5 对应状态原理及普遍化压缩因子1.压缩因子压缩因子真实气体真实气体 pV=ZnRT Z压缩因子压缩因子或或 pVm=ZRTZ 1，Vm(真实真实)1，Vm(真实真实)Vm(理想理想)，难压缩难压缩真实气体真实气体 Z 随温度、压力的种类而变化随温度、压力的种类而变化对于理气，对于理气，Z=pVm(理气理气)/RT=11.5 1.5 对应状态原理及普遍化压缩因子对应状态原理及普遍化压缩因子对比参数：对比参数：Tr=T/TC 对比温度对比温度 pr=p/pC对比压力对比压力Vr=V/VC对比体积对比体积对应状态原理对应状态原理各种不同的气体，只要各种不同的气体，只要两个对比参数相同，则第三个也相同。两个对比参数相同，则第三个也相同。不同气体的对比参数相同时，压缩因子也不同气体的对比参数相同时，压缩因子也相同。相同。1.5 对应状态原理及普遍化压缩因子Argon Compressibility T=273 K Z=pVm/RTattractiverepulsive0.00.51.01.52.02.502004006008001000pressure(atm)ZZ=pVm/RT attractive repulsive 超临界萃取超临界萃取 温度、压力略高于临界点的流体称为超临界流体。这种接近于临界点的 流体,其密度或体积与饱和液体很接近。由于超临界流体具有很高的密度,它 能像一般液体溶剂那样溶解许多固体物质或高沸点液体物质。另一方面,在 临界点附近只要恒温下略为降低压力或恒压下略微升高温度,体积将有较大 增加,密度将有较大减小,相应地那些被溶解物质的溶解度将显著下降而导致 析出。超临界流体还有一个很重要的特点,即虽然它的密度接近饱和液体,粘 度却接近饱和蒸气,这些重要特性促进了一种新兴技术的发展,即超临界萃取 技术。它具有低能耗优点。通常使用的超临界流体如二氧化碳、乙烷、丙烷 等,临界温度较低,可以在室温附近操作,又无毒,因此,这种技术得到很快的发 展。目前常被用来萃取水溶液中的有机物,从茶叶和咖啡豆中萃取咖啡因,从 植物中萃取芳香油,从种子中萃取食用油脂,从中药材中萃取有效成分，从高 分子物质中萃取残留单体等。超临界流体还可以作为溶剂制造无公害涂料，如汽车用油漆、室内环保涂料等。超临界流体的应用正方兴未艾。CO2超临界流体超临界流体-环境友好的反应介质环境友好的反应介质 大多数的反应需要在液体环境中进行才能进行均相反应，近年来，在某些反应里超临界流体被发现具有特殊的效果。除了在超临界流体 中进行聚合,以制取颗粒均匀的聚甲基丙烯酸甲醋,在超临界流体中制 取超细粉末等以外,在CO2超临界流体中进行均相催化反应、配位化合 是研究的热点。这除了是由于超临界流体的特殊的性质，如接近气体 的粘度，液体的密度和溶解度，可以在室温附近操作，低能耗等外,CO2不对环境造成污染也是一个重要因素，这构成了绿色化学的一个 分支。在CO2超临界流体中进行均相催化反应，对回收贵金属催化剂如铑、铂等也极大的提高了效率。如图 所示一带隔板的容器中，两侧分别有同温同压的氢气与氮气，二者均可视为理想气体。H2 3dm3p TN2 1dm3p T(1)保持容器内温度恒定时抽去隔板，且隔板本身的体积可忽略不计，试求两种气体混合后的压力；(2)隔板抽去前后，H2和N2的摩尔体积是否相同？(3)隔板抽去后，混合气体中H2和N2的分压力之比以及它们的分体积各为若干？解：(1)P(V1+V2)=(n 1+n 2)RT P V1=n 1RT P V2=n 2 RT P=P(2)P=nRT/V 混合后两气体分数减少，体积增大（因为理想气体混合后，两气体运动空间增大），其摩尔体积增大。(3)3 P=n 1RT 4 P=n 1RT P=3 P/4 P氢/P氮=3/1 且 V氢=3 dm3 V氮=1 dm3