Cân bằng pha và chuyền pha

Cho đến nay chúng ta chỉ toàn khảo sát các hệ đồng nhất, còn trong bài này chúng ta sẽ xem xét tính chất của các hệ gồm nhiều pha khác nhau. Một pha của một chất nào đó là một phần đồng nhất của hệ, có tính chất riêng biệt, ngăn cách với các phần còn lại bằng những ranh giới xác định. Một ví dụ gần gủi nhất về hệ thống có hai pha là một bình nước đậy kín đang sôi, ở đây chúng ta có hai pha ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cân bằng pha và chuyền pha Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 1Cân bằng pha và chuyển phaCÂN BẰNG PHA VÀ CHUYỂN PHABiên soạn: Lê Quang NguyênTrong bài này chúng ta sẽ áp dụng các phương pháp nhiệt độnglực học đã được giới thiệu trong hai bài 3 và 4 để khảo sát hiệntượng chuyển pha.1. MỞ ĐẦUCho đến nay chúng ta chỉ toàn khảo sát các hệ đồng nhất, còntrong bài này chúng ta sẽ xem xét tính chất của các hệ gồmnhiều pha khác nhau.Một pha của một chất nào đó là một phần đồng nhất của hệ, cótính chất riêng biệt, ngăn cách với các phần còn lại bằng nhữngranh giới xác định. Một ví dụ gần gủi nhất về hệ thống có haipha là một bình nước đậy kín đang sôi, ở đây chúng ta có haipha ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau là nước và hơi nước.Trong trường hợp này chúng ta còn quan sát thấy hiện tượng P(bar)chuyển pha từ nước thành hơi nước và ngược lại. CSau đây là một số ví dụ khác về các pha khác nhau của một 221.1chất: Carbon có thể tồn tại dưới dạng graphite, kim cương hay Lỏng Rắn fullerene. Các vật liệu từ có các pha nghịch từ, thuận từ và sắt từ. I II -3 6.1x10 Helium hoá lỏng ở một nhiệt độ xác định có thể chuyển thành pha siêu chảy có hệ số nhớt bằng không. Một số vật liệu dẫn điện ở nhiệt độ rất thấp có thể chuyển Khí sang pha siêu dẫn có điện trở bằng không.Các phương pháp nhiệt động lực học có thể giúp tìm hiểu cácđiều kiện để có cân bằng nhiệt giữa hai pha, điều kiện để có 273.16 647.3chuyển pha, cũng như khảo sát các tính chất nhiệt động của hệ T ( K)lúc chuyển pha. Hình 1.1. Giản đồ pha của nước.Khi khảo sát cân bằng pha và chuyển pha người ta hay vẽ cácgiản đồ pha trong không gian P, T. Trên hình 1.1 là một ví dụ,đó là giản đồ pha của nước. Còn trên hình 1.2 là giản đồ phacủa Helium 4.Giản đồ pha cho chúng ta biết nhiều chi tiết về cân bằng pha vàchuyển pha. Mỗi điểm trên giản đồ pha mô tả một trạng tháicủa chất đang xét ở một áp suất và nhiệt độ xác định. Cácđường cong trên giản đồ pha tương ứng với các trạng thái cânbằng giữa hai pha, tại đó hai pha đồng thời tồn tại và cân bằngnhiệt với nhau. Các đường cân bằng pha chia mặt phẳng phathành những vùng tương ứng với các pha xác định. Như vậykhi hệ ở một pha xác định thì P và T biến đổi độc lập đối vớinhau, nhưng khi có cân bằng pha thì giữa chúng phải có mộthệ thức nào đó, diễn tả bởi đường cong cân bằng pha.Chúng ta đều biết là khi đun sôi nước ở một áp suất không đổithì nhiệt độ nước cũng không thay đổi, nhiệt lượng cung cấpthêm chỉ dùng để chuyển nước thành hơi chứ không làm tăngnhiệt độ của nước. Trong suốt quá trình đun sôi như vậy thì 4 Hình 1.2. Giản đồ pha của He .trạng thái của hệ gồm nước và hơi nước tương ứng với mộtđiểm trên đường cong cân bằng pha lỏng-khí của hình 1.1. Chỉ Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 2Cân bằng pha và chuyển phakhi nào nước chuyển hết thành hơi nước thì hệ mới rời khỏiđường cân bằng pha để đi vào vùng tương ứng với pha khí.Khi ấy nhiệt độ của hệ mới tăng lên.Trên giản đồ pha chúng ta cũng thấy có hai vị trí đặc biệt, đó làđiểm tới hạn C và điểm ba III (hay điểm  cho Helium 4). Cácđường cân bằng lỏng-khí luôn bị giới hạn một phía ở điểm tớihạn C, ở ngoài điểm tới hạn chúng ta không phân biệt được haipha lỏng và khí nữa, vì chúng sẽ có tính chất hoàn toàn giốngnhau. Còn điểm ba III là nơi hai đường cân bằng pha cắt nhau,tại đó ba pha rắn, lỏng và khí cùng tồn tại.Trong khi chuyển pha hệ có thể hấp thụ hay tỏa nhiệt, đó làchuyển pha loại một. Các quá trình chuyển hoá lỏng-khí, lỏng-rắn và rắn-hơi đều là chuyển pha loại một. Ngược lại, khiHelium 4 chuyển sang pha s ...