Contents ...
udn網路城邦
理想氣體混合的熱力性質
2020/09/11 14:32
瀏覽1,017
迴響0
推薦0
引用0

thermodynamic properties of pure gas and ideal gas mixture

1. isothermal G-P relation of pure gas, dG=-SdT+VdP at fixed T

∫dG=∫VdP=∫(RT/P)dP=∫ᴘ₀ᴾ RTdlnP, ∆G=G-G⁰=RT(lnP-lnP₀) i.e. Choose P₀=1 atm, pure gasG⁰=0

dG=RTdlnP → G=G⁰+RTlnP

2. ideal gas mixture, at fixed T, P and V

nₐ+nᵇ+nᶜ+....=nᵀ=∑nᵢ, Xᵢ= nᵢ/nᵀ, i=a,b,c,....molar fraction

partial pressure pₐ, pᵇ, pᶜ.... pᵢ=XᵢP

partial molar quantity: Qᵢ≡(∂Q∕∂nᵢ)ᴛ,ᴘ,nʲ... e.g. V, S, U, H, A, G; Gᵢ≡(∂G∕∂nᵢ)ᴛ,ᴘ,nʲ...=μᵢ chemical potential

§5-6/5-7 G=G(T,P,nᵢ,nʲ...)

dG=-SdT+VdP+(∂G∕∂nᵢ)ᴛ,ᴘ,nʲ...dnᵢ+(∂G∕∂nʲ)ᴛ,ᴘ,nᵢ...dnʲ+....=-SdT+VdP+∑(∂G∕∂nʲ)ᴛ,ᴘ,ᶜₒₘₚdnᵢ

=-SdT+VdP+∑ μᵢdnᵢ 限制條件ᴛ,ᴘ,nʲ...G與 Qᵢ相同

dU=TdS-PdV+∑(∂U∕∂nʲ)S,ᴠ,ᶜₒₘₚdnᵢ, (∂U∕∂nʲ)S,ᴠ,ᶜₒₘₚ≠ Uᵢ=(∂U∕∂nᵢ)ᴛ,ᴘ,nʲ...

dH=TdS+VdP+∑(∂H∕∂nʲ)S,ᴘ,ᶜₒₘₚdnᵢ, (∂H∕∂nʲ)S,ᴘ,ᶜₒₘₚ≠ Hᵢ=(∂H∕∂nᵢ)ᴛ,ᴘ,nʲ...

dA=-SdT-PdV+∑(∂A∕∂nʲ)ᴛ,ᴠ,ᶜₒₘₚdnᵢ, (∂A∕∂nʲ)ᴛ,ᴠ,ᶜₒₘₚ≠ Aᵢ=(∂A∕∂nᵢ)ᴛ,ᴘ,nʲ..

3. pure gas (∂G∕∂P)ᴛ=V

gas mixture: for i component, (∂Gᵢ∕∂P)ᴛ,nᵢ,nʲ...= Vᵢ

pf: (∂G∕∂P)ᴛ,ᶜₒₘₚ=V, Vᵢ≡(∂V∕∂nᵢ)ᴛ,ᴘ,nʲ...=(∂[(∂G∕∂P)ᴛ,ᶜₒₘₚ]/∂nᵢ)ᴛ,ᴘ,nʲ...=(∂[(∂G∕∂nᵢ)ᴛ,ᴘ,nʲ...]/∂P)ᴛ,ᶜₒₘₚ

=(∂Gᵢ∕∂P)ᴛ,ᶜₒₘₚ... ⸫(∂Gᵢ∕∂P)ᴛ,nᵢ,nʲ...= Vᵢ

因此pure gas的Gibbs free energy式子推導都可適用於gas mixture.

Pure gas: dG=RTdlnP → G=G⁰+RTlnP vs. Gas mixture: dGᵢ=RTdlnpᵢ → Gᵢ=Gᵢ⁰+RTlnpᵢ

Vᵢ=(∂Gᵢ∕∂P)ᴛ,ᶜₒₘₚ... → ∫ᴳᵢᵒᴳͥdGᵢ =∫ᴘᵢpᵢVᵢdP=∫ᴘᵢpᵢ(XᵢRT/pᵢ)∙(dpᵢ/Xᵢ)=∫ᴘᵢpᵢ RTdlnpᵢ

→ Gᵢ-Gᵢ⁰=RT(lnpᵢ-lnPᵢ)

i.e. Vᵢ≡(∂V∕∂nᵢ)ᴛ,ᴘ,nʲ...=[∂(nᵢRT/P)∕∂nᵢ]ᴛ,ᴘ,nʲ...=RT/P=RT/(pᵢ/Xᵢ)=XᵢRT/pᵢ

⸫∆Gᵢ=Gᵢ-Gᵢ⁰=RTlnpᵢ choose Pᵢ=1 atm, ∆Gₘᵢₓ=∑(nᵢ∆Gᵢ+nʲ∆Gʲ+...)

i=a,b,c... 混合前Gₐ=Gₐ⁰+RTlnPₐ → Gᵢ=Gᵢ⁰+RTlnPᵢ(通式)

混合後Gₐ=Gₐ⁰+RTlnpₐ → Gᵢ=Gᵢ⁰+RTlnpᵢ(通式)

∆Gᵢ=Gᵢ-Gᵢ=RTln(pᵢ/Pᵢ)=RTln(pᵢ/P)= RTlnXᵢ

∆Gₘᵢₓ=nₐ∆Gₐ+nᵇ∆Gᵇ+nᶜ∆Gᶜ+...=∑nᵢ∆Gᵢ ⸫∆Gₘᵢₓ=RT∑nᵢlnXᵢ or ∆Gₘᵢₓ=RT∑XᵢlnXᵢ<0 ⸪Xᵢ<1

∆Hₘᵢₓ=∑nᵢ∆Hᵢ=∑nᵢ(Hᵢ-Hᵢ)

Gᵢ已知, 求Hᵢ=? 利用Gibbs-Helmholtz eq. ⸫[∂(Gᵢ/T)∕∂T]ₚ=-Hᵢ/T²

⸪ Gᵢ=Gᵢ⁰+RTlnpᵢ → Gᵢ/T=Gᵢ⁰/T+Rlnpᵢ → [∂(Gᵢ/T)∕∂T]ₚ=[∂(Gᵢ⁰/T)∕∂T]ₚ+[∂(Rlnpᵢ)∕∂T]ₚ i.e.pᵢ=XᵢP

→ -Hᵢ/T²=-Hᵢ⁰/T² → Hᵢ=Hᵢ⁰, 同理 Hᵢ=Hᵢ⁰ ⸫ Hᵢ-Hᵢ=0, ∆Hₘᵢₓ=0

∆Gₘᵢₓ=∆Hₘᵢₓ-T∆Sₘᵢₓ at fixed T, ∆Sₘᵢₓ=-∆Gₘᵢₓ/T=-R∑nᵢlnXᵢ or ∆Sₘᵢₓ=- R∑XᵢlnXᵢ>0

∆Vₘᵢₓ=∑nᵢ∆Vᵢ=∑nᵢ(Vᵢ-Vᵢ)=0

Vᵢ≡(∂V∕∂nᵢ)ᴛ,ᴘ,nʲ...=[∂(nᵢRT/P)∕∂nᵢ]ᴛ,ᴘ,nʲ...=RT/P, Vᵢ=nᵢRT/Pᵢ=nᵢRT/P → Vᵢ=RT/P

∆Uₘᵢₓ=? ⸪∆Hₘᵢₓ=∆Uₘᵢₓ+P∆Vₘᵢₓ ⸫∆Uₘᵢₓ=0

conclusion: one mole ∑Xᵢ=1

∆Gₘᵢₓ=RT∑XᵢlnXᵢ, ∆Sₘᵢₓ=- R∑XᵢlnXᵢ, ∆Hₘᵢₓ=0, ∆Vₘᵢₓ=0, ∆Uₘᵢₓ=0 ideal solution的結果相同

§real gas properties

pure(ideal) gas dG=RTdlnP  vs. Real gas dG≡RTdlnf f≠P

gas mixture      dGᵢ=RTdlnpᵢ vs.                dGᵢ=RTdlnfᵢ (混合前fᵢ⁰; 混合後fᵢ)

Gᵢ=Gᵢ⁰+RTlnfᵢ let fᵢ⁰=1 atm, ∆Gᵢ=Gᵢ-Gᵢ⁰=RTlnfᵢ, ∆Gₘᵢₓ=RT∑Xᵢln(fᵢ/f)

全站分類:知識學習| 隨堂筆記
自訂分類:材料科學
上一則: 溶液行為
下一則: 基本熱力學
發表迴響

會員登入