物理化学气体学习教案.pptx
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1、会计学1物理化学物理化学(w l hu xu)气体气体第一页,共69页。2物质(wzh)为什么有不同的聚集状态?物质(wzh)是由分子组成,分子存在:u分子的热运动,包括分子的平动(pngdng)、转动、振动等是无序运动,趋势:形成气体状态。u分子间的相互作用,包括色散力、静电力、氢键等和排斥力,形成有序排列,趋势:形成凝聚状态。这两方面的相对强弱不同,物质就呈现不同的聚集状态,并表现出不同的宏观性质。其中最基本的宏观平衡性质有两类:(1)pVT性质一定数量物质的压力、体积和温度间的关系(2)热性质物质的热容、相变热、生成热、燃烧焓和熵第1页/共69页第二页,共69页。3在研究或解决生产实际问
2、题时,需要(xyo)这两类性质,如合成氨工业:3H2+N2=2NH3条件(tiojin):高温高压平衡常数:通过(tnggu)三种物质的热性质,计算反应的热效应Q等pVT性质和热性质是物质的特有性质,它们由3种方法得到:直接实验测定如CO2的pVT测定,苯甲酸的燃烧热测定经验或半经验的方法:状态方程(EquationofState,EOS)理论方法统计力学、量子力学、分子模拟等第2页/共69页第三页,共69页。4在本课程讨论的物质(wzh)的pVT性质气体的pVT关系。第二、三章讨论热性质和平衡性质。气体的pVT的研究从17世纪开始,先后提出了三个经验(jngyn)定律1.波义耳(R.Boyl
3、e)定律(dngl)(1661 年)n,T一定,pV=Const2.盖-吕萨克定律(C.Gay-J.Lussac)(1802 年)n,p一定,V/T=Const3阿佛加德罗(Avogadro)定律T,p一定,V/n=Const上述3个定律在温度不太低、压力不太高的情况时适用。第3页/共69页第四页,共69页。5当压力趋于零时,任何气体均能严格遵守这3个定律,由此可引出(ynch)“理想气体”的概念。理想气体(lxinqt)的pVT的关系1881 年范德华(vanderWaals)提出(tch)了著名的范德华状态方程(vanderWaalsEOS)到目前已有几百种适用不同物质的EOS,pVT关系
4、的研究仍然是热点,主要关注:超临界状态、电解质溶液、高分子物质等的pVT关系。第4页/共69页第五页,共69页。6本章节(zhngji)将介绍:1.理想气体(lxinqt)与理想气体(lxinqt)状态方程2.真实气体与真实气体状态方程3.真实气体的临界(lnji)性质4.压缩因子图真实气体的pVT计算第5页/共69页第六页,共69页。71.1 理想气体(l xin q t)状态方程 Equation of State for Ideal Gases1.理想气体(lxinqt)状态方程理想气体(lxinqt)严格遵守理想气体(lxinqt)状态方程:R=8.3145Jmol-1K-1摩尔气体常
5、数,p/Pa,V/m3,T/K(SI制)。2.理想气体微观模型分子在没有接触时相互没有作用,分子间的碰撞是完 全弹性的碰撞。气体分子本身大小可以忽略不计理想气体可以看做是真实气体在压力趋近于零时的极限情况。什么样的气体才能视为理想气体?通常一定量n的气体所处状态,可以用压力pressure、体积volume、温度temperature 来描述,而联系这四个量的关系的式子就是气体的状态方程式(EquationOfState,EOS)第6页/共69页第七页,共69页。83.研究理想气体(lxinqt)的意义实际应用:在计算(jsun)要求不高或低压时工程近似计算(jsun)。理论意义:是简单、抽象
6、(chuxing)、最有代表性的科学模型。任何一种气体,当p0时,它的pVT关系均可以用理想气体状态方程表示。描述真实气体的状态方程,当p0时,都应转变为理想气体状态方程。4.应用如:(1)摩尔气体常数Rp10(2)测定气体分子的摩尔质量从哲学观点:研究问题总是由易到难,从简单到复杂。物理化学根据研究对象不同,提出理想模型,是一种科学的抽象,从易到难处理问题的科学方法。第7页/共69页第八页,共69页。9例:25C时实验测得某有机气体(qt)得密度与压力p的关系,求该有机气体(qt)分子的摩尔质量。p/mmHg91.74188.9277.3452.8639.3760.0/kg m-30.227
7、6 0.4695 0.6898 1.1291 1.5983 1.9029解:关键(gunjin)是如何得到:第8页/共69页第九页,共69页。10 p/mmHg91.74 188.90 277.30 452.80 639.30 760.00 /kg m-30.2276 0.4695 0.6898 1.1291 1.5983 1.9029 103 p/Pa12.23 25.18 36.97 60.37 85.23 101.33 103(/p)0.01861 0.01864 0.01866 0.01870 0.01875 0.01878 作图:第9页/共69页第十页,共69页。11摩尔(mr)质量
8、:乙醇(ychn)91.74 188.9 277.3 452.8 639.3 760.0 46.10 46.19 46.23 46.34 46.46 46.53 按实验压力(yl)计算:说明理想气体状态方程的适用范围:l 对于易液化的气体如CO2、水蒸汽,室温时为液体的有机物气体,低压下适用。l 对于常温常压下为气体,如H2,N2,可用到几十atm。第10页/共69页第十一页,共69页。121.2 理想气体(l xin q t)混合物1.混合物的组成(zchn)(1)摩尔(mr)分数x或y物质B的摩尔分数的定义(2)质量分数 wB一般气体混合物用y表示,液体混合物用x表示。物质B的质量分数的定
9、义(3)体积分数 B物质B的体积分数的定义一定温度、压力下纯物质A的摩尔体积。第11页/共69页第十二页,共69页。132.道尔顿(Daldon)分压定律(dngl)(lawofpartialpressure)分压力(yl)的定义:pB=yB p得混合气体的总压p适用范围:所有混合气体,如高压(goy)下的混合气体。关键是如何表示公式中的压力。u用理想气体状态方程pB=yB p第12页/共69页第十三页,共69页。14上式即为道尔顿(Dalton)分压定律。文字表述(biosh):混合气体的总压力等于各组分气体存在于混合气体的温度、体积条件产生压力之和。3.阿马(m)加(Amagat)分体积定
10、律分体积定律:混合(hnh)理想气体的体积等于混合(hnh)气体各组分的分体积之和。第13页/共69页第十四页,共69页。15式中:气体混合物中组分(zfn)B的摩尔分数yB适用(shyng):理想气体混合物,或低压下的真实气体混合物。化工等工程(gngchng)为常用公式由可测量的量:yB和p计算混合气体中某一组分的分压力。第14页/共69页第十五页,共69页。16例:干燥空气的体积分数为N2:79%、O2:21%,试问在25、101325Pa 下,空气相对湿度为60%,此湿空气的密度(md)为多少?已知25下,水蒸汽的饱和蒸汽压为3167.74Pa。解:空气(kngq)的相对湿度为60%相
11、对湿度p水/p饱和所以:湿空气中各组分的摩尔(mr)分数第15页/共69页第十六页,共69页。17混合气体的平均(pngjn)分子量湿空气的密度(md)为:第16页/共69页第十七页,共69页。18第17页/共69页第十八页,共69页。19第18页/共69页第十九页,共69页。201.3 真实气体的液化(yhu)与临界参数1.液体(yt)的饱和蒸气压理想气体(lxinqt)改变T 或p 不能液化因为理想气体分子没有相互作用力真实气体T 或p气体会液化因为真实气体分子存在相互作用力真实气体0Err0理想气体0Err0分子相互作用的势能曲线吸引力attractiveforce排斥力repulsiv
12、eforceLennard-Jones 理论:第19页/共69页第二十页,共69页。21当在一定(ydng)温度,pp在一定温度T下,与液体(yt)成平衡的蒸气所具有的压力称为饱和蒸气压,p*不同物质,由于(yuy)分子间的相互作用力不同,表现为相同温度下,具有不同的饱和蒸气压:水水乙醇乙醇t/Cp*/kPat/Cp*/kPa202.338205.671407.3764017.3956019.9166046.0088047.34378.4101.325100101.325100222.48120198.54120422.35饱和蒸气液体第20页/共69页第二十一页,共69页。22纯物质的饱和蒸
13、气压是温度的函数,温度上升,饱和蒸气压增大(znd)。当液体饱和蒸气压等于外压时,液体沸腾,对应的温度为沸点(BoilingPoint)。习惯将外压=101.325kPa 的沸点称为正常沸点。外压为2.338kPa 时,水的沸点(fidin)为20C空气的相对湿度(xingdushd)定义:p为空气中水的分压.相对湿度90%时,感觉闷热南方的夏天某高原的大气压99.1kPa,水的沸点=?第21页/共69页第二十二页,共69页。23对应的温度称为临界(lnji)温度(CriticalTemperatureTc),与之对应的饱和压力pc称为临界(lnji)压力。在临界(lnji)温度和临界(lnj
14、i)压力下,物质的摩尔体积称为临界(lnji)摩尔体积Vm,c.Tc,pc,Vm,c统称为物质的临界(lnji)参数,是物质非常重要特性参数。(在附录表6,P308)2.临界(lnji)参数从图可以(ky)看出,饱和蒸气压与温度的关系。当温度上升到某一特殊温度后,如水为374C,CO2为31C,液相不可能存在,而只能是气相。纯物质除有熔点,沸点外,还有临界点:CO2的p-V图7.4MPap/MPat/C0.1liquidicegas374022.05MPa超临界流体临界点H2O的p-V图第22页/共69页第二十三页,共69页。24flowapparatusforthemeasurementof
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