余高奇博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666 经典热力学也称平衡态热力学,研究系统由一个热力学平衡态变化至另一个热力学平衡态的准静态过程的自发性; 它是真实热力学过程发生的必要条件。

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相律计算典型例题

已有 764 次阅读 2023-11-15 12:39 |系统分类:教学心得

       相律计算是相平衡教学的重要内容,本文拟结合具体实例, 介绍相律计算的相关知识点,供参考.

  1. 相图与相律

    相图是指当温度、压强或组成等强度性质改变时,多相物系状态点(主要指物系点与相点)变化的图形.

      相律是指多相物系中,相数(P)、自由度(F)与组分数(C)的定量关系;相律通式可表示为:

       F=C-P+2     (1)

      式(1)中自由度“F“表示在维系组分数及相数不变的前提下,能独立改变的多相物系强度性质(温度、

压强及浓度)的最大数目。

      式(1)中组分数”C“可通过下式计算:

      C=S-R-R'    (2)

      式(2)中S代表物种数;R代表独立反应数;R'代表浓度限制条件.

   2.相律计算例题

    [例1].将Ag2O(s)放在一抽空的容器内,使之分解得到Ag(s)与O2(g),并实现平衡,试计算该物系的组分数C、相数P及自由度F.

      析:物系存在独立反应为:Ag2O(s)=2Ag(s)+1/2O2(g)

             抽空容器内浓度限制条件:R'=气相生成物数目-1

      解:依题S=3,R=1,R'=1-1=0

             则:C=S-R-R'=3-1-0=2     

             另:P=3

       备注:Ag2O(s)、Ag(s)及O2(g),两个固相,一个气相,P=2+1=3.

             由上可得自由度:F=C-P+2=2-3+2=1

    [例2].现将一定量N2(g)与H2(g)放入一容器内,发生N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)反应,并建立平衡,试计算该物系的组分数C、相数P及自由度F.

        解:依题S=3,R=1,R'=0

               则:C=S-R-R'=3-1-0=2     

               另:P=1

       备注:无论气体包含多少组分P≡1.

               由上可得自由度:F=C-P+2=2-1+2=3

    [例3].将NH4HCO3(s)放在一抽空的容器内,使之分解得到NH3(g)、H2O(g)与CO2(g),400K时建立平衡,试计算该物系的组分数C、相数P及自由度F.

      析:物系存在独立反应为:NH4HCO3(s)=NH3(g)+H2O(g)+CO2(g)

             抽空容器内浓度限制条件:R'=气相生成物数目-1

     解:依题S=4,R=1,R'=3-1=2

             则:C=S-R-R'=4-1-2=1     

             另:P=2

             由上可得自由度:F=C-P+1=1-2+1=0

备注:NH4HCO3(s)、NH3(g)、H2O(g)与CO2(g),一个固相,一个气相,P=1+1=2;温度400K恒定,相律通式改写为:F=C-P+1

   [例4].已知Na2CO3(s)与H2O(l)可以形成Na2CO3·H2O(s)、Na2CO3·7H2O(s)与Na2CO3·10H2O(s)等多种Na2CO3水合物,问在100kPa下,与水溶液H2O(s)平衡共存的Na2CO3水合物最多有几种?

    设平衡共存的Na2CO3水合物有x种,则该物系存在x个独立反应,诸如:

     Na2CO3(s)+H2O(l)=Na2CO3·H2O(s)

     Na2CO3(s)+7H2O(l)=Na2CO3·7H2O(s)

     Na2CO3(s)+10H2O(l)=Na2CO3·10H2O(s)

     ……

     依题S=2+xR=xR'=0

     则:C=S-R-R'=2+x-x-0=2     

            F=C-P+1=2-P+1=3-P

    备注:p=100kPa恒定,相律通式改写为:F=C-P+1

      由于Fmin=0,Pmax=3

     物系已有H2O(s)与水溶液两相,因此包含Na2CO3水合物最多为一种[1].

 3.结论

  ⑴相图是指当温度、压强或组成等强度性质改变时,多相物系状态点(主要指物系点与相点)变化的图形;

  ⑵自由度“F“表示在维系组分数及相数不变的前提下,能独立改变的多相物系强度性质(温度、

压强及浓度)的最大数目。

参考文献

[1]武汉科技大学物理化学教研室. 物理化学习题册(一),2021,9:38.




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