第六章-溶液热力学基础要点课件.ppt
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1、第六章第六章 溶液热力学基础溶液热力学基础凡是均相多组分体系都称为溶液。它凡是均相多组分体系都称为溶液。它可以是气态、液态,也可以是固态。可以是气态、液态,也可以是固态。溶液的广泛定义溶液的广泛定义:在前面章节中我们谈到的体系大都是在前面章节中我们谈到的体系大都是单一组分单一组分的的体系,而在化工生产中我们要解决的体系并非都是单体系,而在化工生产中我们要解决的体系并非都是单一组分,大部分是一组分,大部分是气体或液体的多组分混合物气体或液体的多组分混合物,混合,混合物的组成也不是一成不变的。物的组成也不是一成不变的。如:精馏、吸收过程要发生质量传递,化学反应如:精馏、吸收过程要发生质量传递,化学
2、反应使反应物在其质和量上都发生了变化。使反应物在其质和量上都发生了变化。第六章第六章 溶液热力学基础溶液热力学基础 均相混合物一般称为溶液均相混合物一般称为溶液,也就是说溶液是指均相,也就是说溶液是指均相混合物,包括混合物,包括气体混合物和液体混合物。气体混合物和液体混合物。溶液热力学由于涉及到组成对热力学性质的影响,溶液热力学由于涉及到组成对热力学性质的影响,因而使得溶液热力学性质变得复杂化。因而使得溶液热力学性质变得复杂化。严格处理多组严格处理多组分热力学性质的基础仍是热力学第一定律和热力学第分热力学性质的基础仍是热力学第一定律和热力学第二定律。二定律。第六章第六章 溶液热力学基础溶液热力
3、学基础目的目的n1、了解溶液热力学的基本概念、了解溶液热力学的基本概念n2、学习溶液热力学的基本原理、学习溶液热力学的基本原理n3、为相平衡和化学平衡的学习打下基础、为相平衡和化学平衡的学习打下基础第六章第六章 溶液热力学基础溶液热力学基础要求要求n1、掌握化学位、偏摩尔性质、逸度、掌握化学位、偏摩尔性质、逸度/逸度系数、活逸度系数、活度度/活度系数、混合性质变化、超额性质等的定义活度系数、混合性质变化、超额性质等的定义和计算和计算n2、掌握溶液的性质及其规律、掌握溶液的性质及其规律 理想溶液与非理想溶液理想溶液与非理想溶液 Gibbs-Duhem方程方程 活度系数与超额自由焓的关系式活度系数
4、与超额自由焓的关系式第六章第六章 溶液热力学基础溶液热力学基础6.1 6.1 溶液体系的热力学性质溶液体系的热力学性质6.2 6.2 偏摩尔性质和偏摩尔性质和Gibbs-Gibbs-DuhemDuhem方程方程6.3 6.3 混合性质与理想气体方程混合性质与理想气体方程6.46.4 逸度和逸度系数逸度和逸度系数6.56.5 理想溶液和标准态理想溶液和标准态6.6 6.6 活度和活度系数活度和活度系数6.7 6.7 过量函数过量函数第六章第六章 溶液热力学基础溶液热力学基础的基本关系式:的基本关系式:对于定组成的单相体系(封闭体系)的八个热力学量对于定组成的单相体系(封闭体系)的八个热力学量6.
5、1 溶液体系的热力学性质溶液体系的热力学性质3 由四大微分方程导出的由四大微分方程导出的Maxwell 关系式(关系式(16个)个)1 三个定义式三个定义式 2 四大微分方程四大微分方程 4 由导出由导出H、S、U等的微分方程及剩余性质求真实气等的微分方程及剩余性质求真实气 体的体的H、S、U等等可写出四个基本关系式:可写出四个基本关系式:对于定组成的单相体系(封闭体系)的八个热力学量对于定组成的单相体系(封闭体系)的八个热力学量6.1 溶液体系的热力学性质溶液体系的热力学性质交叉求得的交叉求得的Maxwell 关系式。关系式。对于对于1mol物质:物质:对于对于nmol物质:物质:6.1 溶
6、液体系的热力学性质溶液体系的热力学性质交叉求得的交叉求得的Maxwell 关系式:关系式:同理:同理:6.1 溶液体系的热力学性质溶液体系的热力学性质全微分方程全微分方程式为:式为:同理:同理:对于敞开体系:对于敞开体系:对于单相体对于单相体用用 表示各组分的摩尔数,表示各组分的摩尔数,6.1 溶液体系的热力学性质溶液体系的热力学性质系,总内能可写成:系,总内能可写成:6.1 溶液体系的热力学性质溶液体系的热力学性质对比热力学基本关系式,即当对比热力学基本关系式,即当n不变时,前两式写成:不变时,前两式写成:为简便起见,定义:为简便起见,定义:i 组分的化学位。组分的化学位。类似得:类似得:6
7、.1 溶液体系的热力学性质溶液体系的热力学性质(a)(b)6.1 溶液体系的热力学性质溶液体系的热力学性质(c)(d)注意以下几点:注意以下几点:(1)适用于敞开体系、封闭体系;适用于敞开体系、封闭体系;(2)当当n不变时,简化成适用于定组成、定质量体系;不变时,简化成适用于定组成、定质量体系;(3)Maxwell关系式用于可变组成体系时,要考虑组成的因素。关系式用于可变组成体系时,要考虑组成的因素。6.1 溶液体系的热力学性质溶液体系的热力学性质化学位的表达式分别为:化学位的表达式分别为:(a)(b)(c)(d)对式子对式子a、b、c、d 前两项交叉求导可得前两项交叉求导可得Maxwell
8、关系式,用关系式,用G的第一、三项交叉,第二、三项交叉求导得两个重要方程式:的第一、三项交叉,第二、三项交叉求导得两个重要方程式:6.1 溶液体系的热力学性质溶液体系的热力学性质6.1 溶液体系的热力学性质溶液体系的热力学性质1.表示表示i组分的化学位,是组分的化学位,是强度性质强度性质,表示体系由于组表示体系由于组成变化引起广度热力学量变化的推动力。成变化引起广度热力学量变化的推动力。4.只对只对G来说,来说,是是G的的偏摩尔性质。偏摩尔性质。2.的四个定义式,每个式子的下标都不同,而恒的四个定义式,每个式子的下标都不同,而恒T 恒恒P 是是实验经常控制的条件,所以常用实验经常控制的条件,所
9、以常用自由焓自由焓来定义。来定义。3.掌握掌握 随温度压力的变化关系式。随温度压力的变化关系式。6.2 6.2 偏摩尔性质和偏摩尔性质和Gibbs-Gibbs-DuhemDuhem方程方程6.2.1 6.2.1 偏摩尔性质偏摩尔性质6.2.2 6.2.2 偏摩尔性质的计算偏摩尔性质的计算6.2.3 Gibbs-6.2.3 Gibbs-DuhemDuhem方程方程体系的任一广度性质体系的任一广度性质M都是都是T,P,组分摩尔量组分摩尔量ni的函数,即:的函数,即:6.2.1 6.2.1 偏摩尔性质偏摩尔性质恒恒T、P 下:下:定义偏摩尔性质定义偏摩尔性质:6.2.1 6.2.1 偏摩尔性质偏摩尔
10、性质三要素:三要素:这三个这三个要素缺要素缺一不可。一不可。恒温、恒压;恒温、恒压;广度性质(容量性质);广度性质(容量性质);随某组分摩尔数的变化率。随某组分摩尔数的变化率。定义:在恒温、恒压下,物系的广度性质随某种组分摩尔定义:在恒温、恒压下,物系的广度性质随某种组分摩尔数的变化率叫做该组分的偏摩尔性质。数的变化率叫做该组分的偏摩尔性质。偏摩尔性质的通式:偏摩尔性质的通式:n偏摩尔性质的物理意义可通过实验来理解。偏摩尔性质的物理意义可通过实验来理解。n如:在一个无限大的、颈部有刻度的容量瓶中,盛如:在一个无限大的、颈部有刻度的容量瓶中,盛入大量的乙醇水溶液,在乙醇水溶液的温度、压力、入大量
11、的乙醇水溶液,在乙醇水溶液的温度、压力、浓度都保持不变的情况下,加入浓度都保持不变的情况下,加入1mol乙醇,充分乙醇,充分混合后,量取瓶上的溶液体积的变化,这个变化值混合后,量取瓶上的溶液体积的变化,这个变化值即为乙醇在这个温度、压力和浓度下的偏摩尔体积。即为乙醇在这个温度、压力和浓度下的偏摩尔体积。6.2.1 6.2.1 偏摩尔性质偏摩尔性质偏摩尔性质与溶液摩尔性质间的关系偏摩尔性质与溶液摩尔性质间的关系 n在溶液热力学中有三种性质,这三种性质要用不同在溶液热力学中有三种性质,这三种性质要用不同的符号加以区别:的符号加以区别:n溶液性质溶液性质M:H、S、A、U、G、V等;等;n纯组分性质
12、纯组分性质Mi:Hi、Si、Ai、Ui、Gi、Vi等等n偏摩尔性质:偏摩尔性质:6.2.1 6.2.1 偏摩尔性质偏摩尔性质1mol 物质:物质:例如:例如:由上式可看出:由上式可看出:含有多种物质的溶液的广度性质含有多种物质的溶液的广度性质 为各物质为各物质 偏摩尔量偏摩尔量 和其摩尔量乘积的简单加和。和其摩尔量乘积的简单加和。6.2.1 6.2.1 偏摩尔性质偏摩尔性质恒恒T、P 下下 将将 积分,得:积分,得:n由偏摩尔性质计算混合物性质的重要关系式。只要由偏摩尔性质计算混合物性质的重要关系式。只要知道了组成该溶液各组分的偏摩尔性质及摩尔分率,知道了组成该溶液各组分的偏摩尔性质及摩尔分率
13、,就可以解决该溶液的热力学性质的计算。就可以解决该溶液的热力学性质的计算。6.2.1 6.2.1 偏摩尔性质偏摩尔性质对纯物质:对纯物质:对溶液:对溶液:6.2.1 6.2.1 偏摩尔性质偏摩尔性质混合物:偏摩尔性质(量)混合物:偏摩尔性质(量)1.纯物质没有偏摩尔性质,纯物质没有偏摩尔性质,纯物质:摩尔性质(量)纯物质:摩尔性质(量)当混合物中某个组分的组成趋近于当混合物中某个组分的组成趋近于1时,两数值近似相等。时,两数值近似相等。3.偏摩尔量是偏摩尔量是强度性质,也是状态函数强度性质,也是状态函数。2.只有只有广度性质广度性质才有偏摩尔性质,如才有偏摩尔性质,如 4.偏摩尔量一定是偏摩尔
14、量一定是T、P不变,所以不变,所以5.体系总的广度热力学量是其偏摩尔性质与摩尔数乘积的加权体系总的广度热力学量是其偏摩尔性质与摩尔数乘积的加权之和。之和。掌握掌握3个式子:个式子:6.2.1 6.2.1 偏摩尔性质偏摩尔性质或或 6.2.1 6.2.1 偏摩尔性质偏摩尔性质与关联纯物质各摩尔热力学性质间的方程式相似,与关联纯物质各摩尔热力学性质间的方程式相似,溶液中某组分的偏摩尔性质间的关系式为:溶液中某组分的偏摩尔性质间的关系式为:lMaxwell关系是同样也是用于偏摩尔性质的微分关系是同样也是用于偏摩尔性质的微分方程方程6.2.1 6.2.1 偏摩尔性质偏摩尔性质l偏摩尔性质的偏摩尔性质的
15、Maxwell关系式关系式6.2.1 6.2.1 偏摩尔性质偏摩尔性质6.2.2 6.2.2 偏摩尔性质偏摩尔性质的计算的计算计算方法计算方法 图解法图解法解析法解析法1.解析法解析法二元体系二元体系6.2.2 6.2.2 偏摩尔性质偏摩尔性质的计算的计算例例6-1 在温度为在温度为298K,压力为,压力为0.1MPa下,一定量的下,一定量的NaCl(1)加入加入1kg水水(2)中,形成的水溶液的体积中,形成的水溶液的体积V(cm3)与与NaCl的摩尔数的摩尔数n1(mol)之间的关系满足下面关系式:之间的关系满足下面关系式:试求试求n1=0.4mol时的溶液中的时的溶液中的NaCl和水的偏摩
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