項目一氣體方程及其應(yīng)用

1、 熱氣球熱氣球?qū)W習要求：學習要求：掌握理想氣體（包括混合物）狀態(tài)方程式和道爾頓定律，并能靈活應(yīng)用，明確實際氣體液化條件、臨界狀態(tài)及臨界量的表述。 熟悉范德華方程的應(yīng)用條件，并了解其他實際氣體狀態(tài)方程式的類型與特點。 理解對比態(tài)、對比狀態(tài)原理、壓縮因子圖的意義及應(yīng)用。項目一項目一 氣體狀態(tài)方程及其應(yīng)用氣體狀態(tài)方程及其應(yīng)用 任務(wù)一任務(wù)一 理想氣體狀態(tài)方程及其應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程及其應(yīng)用 任務(wù)二任務(wù)二 道爾頓定律及其應(yīng)用道爾頓定律及其應(yīng)用 任務(wù)三任務(wù)三 范德華方程與壓縮因子及其應(yīng)用范德華方程與壓縮因子及其應(yīng)用任務(wù)一任務(wù)一 理想氣體的狀態(tài)方程及其應(yīng)用理想氣體的狀態(tài)方程及其應(yīng)用任務(wù)導航任務(wù)導航：氣柜儲存

2、有氣柜儲存有121.6kPa，27的氯乙烯氣體的氯乙烯氣體300dm3，若以每小時，若以每小時90kg的流量輸往使用車間，試問儲的流量輸往使用車間，試問儲存的氣體能用多久？存的氣體能用多久？ Amedeo Avogadro (1776 1856) an Italian Robert Boyle (1627 1691) Born in IrelandJoseph Gay-Lussac (1778 1850) Frenchman氣體理論的三位奠基者氣體理論的三位奠基者: 1.理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 C( ,pVn T一一定定）波義耳波義耳(Boyle R)定律定律蓋蓋- -呂薩克呂薩克(

3、Gay JLussac J)定律定律阿伏加德羅阿伏加德羅(Avogadro A)定律定律/C( ,V Tn p一一定定）/C( ,V nT p一一定定）整理可得如下狀態(tài)方程整理可得如下狀態(tài)方程pVnRT式中式中 R 為摩爾氣體常數(shù)為摩爾氣體常數(shù), 數(shù)值為數(shù)值為8.314，單位，單位 J mol1 K1 .其它形式其它形式: pVm = RT ; pV = (m/M) RT 波義耳定律的一個應(yīng)波義耳定律的一個應(yīng)用用 氣壓水井氣壓水井手柄向上抽手柄向上抽動活塞時動活塞時, 此處此處空氣壓力減小而空氣壓力減小而產(chǎn)生負壓產(chǎn)生負壓.大氣壓力向大氣壓力向下作用于水面下作用于水面.2. 理想氣體理想氣體(p

4、erfect gas)的定義及其微觀模型的定義及其微觀模型理想氣體理想氣體: 凡在任何溫度凡在任何溫度, 壓力下均服從理想氣體狀態(tài)方程壓力下均服從理想氣體狀態(tài)方程的氣體稱為理想氣體的氣體稱為理想氣體.理想氣體的兩個特征理想氣體的兩個特征: (1)分子本身必定不占有體積分子本身必定不占有體積; 分子可近似被看作是沒有體積的分子可近似被看作是沒有體積的質(zhì)點質(zhì)點 (2)分子間無相互作用分子間無相互作用.真實氣體只有在真實氣體只有在高溫、低壓高溫、低壓下才可近似地看作理想氣體。下才可近似地看作理想氣體。理想氣體狀態(tài)方程近似適用于低壓實際氣體理想氣體狀態(tài)方程近似適用于低壓實際氣體. 易液化氣易液化氣體的

5、適用壓力范圍較窄體的適用壓力范圍較窄, 難液化氣體則相對較寬難液化氣體則相對較寬.例例2 例例3任務(wù)解析3.3.理想氣體混合物理想氣體混合物1）混合物的組成混合物的組成摩爾分數(shù)摩爾分數(shù)moler fractionBBBAA()/xynn或或BBAA/mm*BBm,BAm,AA/()x Vx V質(zhì)量分數(shù)質(zhì)量分數(shù)mass fraction體積分數(shù)體積分數(shù)volume fraction此定義式表示B的體積分數(shù)等于相同溫度和壓力下混合前純B的體積與混合前各純組分體積之和之比,其單位為1mixmpVRTM混合物的摩爾質(zhì)量為混合物的摩爾質(zhì)量為BB()pVnRTnRTmixBBBMy MmixBBBB/Mm

6、 nmn2）理想氣體的混合物的平均摩爾質(zhì)量任務(wù)二任務(wù)二 道爾頓定律及其應(yīng)用道爾頓定律及其應(yīng)用任務(wù)導航任務(wù)導航：氯乙烯、氯化氫及乙烯構(gòu)氯乙烯、氯化氫及乙烯構(gòu)成的混合成的混合氣氣體中，各組分的摩爾分數(shù)體中，各組分的摩爾分數(shù)分別為分別為0.89、0.09及及0.02。于恒定壓力。于恒定壓力101.325kPa下，用水吸收其中的氯化下，用水吸收其中的氯化氫，所得混合氣體中增加了分壓力為氫，所得混合氣體中增加了分壓力為2.670kPa的水蒸氣。試求洗滌后的混的水蒸氣。試求洗滌后的混合氣體中氯乙烯及乙烯的分壓力。合氣體中氯乙烯及乙烯的分壓力。1. 近代化學之父近代化學之父道爾頓道爾頓 John Dalto

7、n (1766-1844) Englishman1、氣體分壓定律氣體分壓定律2、原子學說原子學說近代化學之父近代化學之父主要成就分壓力分壓力pB: 無論是理想氣體還是非理想氣體無論是理想氣體還是非理想氣體, 混合氣中任一組混合氣中任一組分分B的摩爾分數(shù)的摩爾分數(shù)yB與總壓力與總壓力p的乘積定義為該組分的的乘積定義為該組分的分壓力分壓力 pB . 即即pB = yB p對于混合理想氣體對于混合理想氣體BBRTRTpnnVV BBBBnynBBn RTpV2、道爾頓分壓定律適用于理想氣體混合物，對低壓下真實混合氣體也適用于理想氣體混合物，對低壓下真實混合氣體也近似適用。近似適用。理想混合氣體中某一

8、組分理想混合氣體中某一組分B的分壓等于該組分的分壓等于該組分B單獨存單獨存在且在且具有具有與混合氣體相同的溫度和體積時所具有的壓與混合氣體相同的溫度和體積時所具有的壓力，而混合氣體的總壓等于各組分氣體的分壓之和，力，而混合氣體的總壓等于各組分氣體的分壓之和，稱為稱為道爾頓分壓定律道爾頓分壓定律 注意注意: 對對理想氣體理想氣體, 分壓力分壓力 pB 等于等于B 組分單獨存在于混組分單獨存在于混合氣體的溫度合氣體的溫度, 體積下的壓力體積下的壓力; 實際氣體實際氣體由于各組分之間的相互影響由于各組分之間的相互影響, B組分的分組分的分壓力壓力 pB 必然偏離必然偏離B 組分單獨存在于混合氣體的溫

9、組分單獨存在于混合氣體的溫度度, 體積下的壓力體積下的壓力.ppyp BBBB)(顯然各組分的分壓力之和應(yīng)等于總壓力顯然各組分的分壓力之和應(yīng)等于總壓力:小結(jié)小結(jié):BBpy pBBpp對于理想氣體混合物對于理想氣體混合物BB/pn RT V對于任何氣體混合物，分壓為對于任何氣體混合物，分壓為任務(wù)解析思考題思考題 300K，104.365kPa的濕烴類混合氣體（含水蒸氣），其中的濕烴類混合氣體（含水蒸氣），其中水蒸氣分壓為水蒸氣分壓為3.167kPa?，F(xiàn)欲得到除去水蒸氣的?，F(xiàn)欲得到除去水蒸氣的1 kmol干烴干烴類混合氣體。類混合氣體。 求：求： 1） 應(yīng)從濕烴混合氣體中除去水蒸氣的物質(zhì)的量應(yīng)從濕

10、烴混合氣體中除去水蒸氣的物質(zhì)的量2） 所需濕烴類混合氣體的初始體積所需濕烴類混合氣體的初始體積任務(wù)三任務(wù)三 范德華方程與壓縮因子及其應(yīng)用范德華方程與壓縮因子及其應(yīng)用任務(wù)導航：任務(wù)導航：1molN2在在0時體積為時體積為70.310-6m3，試計算其壓力，已知實驗值為試計算其壓力，已知實驗值為40.53MPa，并計算，并計算百分誤差。百分誤差。一、真實氣體的一、真實氣體的范德華方程范德華方程22()()n apVnbnRTV2mm()()apVbRTV從以下兩個方面進行修正：從以下兩個方面進行修正：硬球模型硬球模型 體積修正項體積修正項 壓力修正項壓力修正項a a 范德華常數(shù)范德華常數(shù), , 反

11、映不同氣體分子間引力大小的特性常數(shù)反映不同氣體分子間引力大小的特性常數(shù), , 與與溫度無關(guān)溫度無關(guān). .b b 范德華常數(shù)范德華常數(shù), , 反映不同氣體分子體積大小的特性常數(shù)反映不同氣體分子體積大小的特性常數(shù), , 與溫與溫度無關(guān)度無關(guān). . a /Vm2 內(nèi)壓力內(nèi)壓力, 表明分子間吸引力反比于表明分子間吸引力反比于Vm2, 即反比于分子間即反比于分子間距的六次方距的六次方.范德華方程只是一種范德華方程只是一種簡化的簡化的實際氣體數(shù)學模型實際氣體數(shù)學模型, 人們把在人們把在任何溫度壓力下均服從范德華方程的氣體稱為任何溫度壓力下均服從范德華方程的氣體稱為范德華氣體范德華氣體. 若實際氣體壓力趨于

12、零若實際氣體壓力趨于零, 則范德華方程還原為理想氣體狀則范德華方程還原為理想氣體狀態(tài)方程態(tài)方程.范德華方程在幾范德華方程在幾 MPa(幾十個大氣壓幾十個大氣壓)的中壓范圍精度比理的中壓范圍精度比理想氣體狀態(tài)方程高想氣體狀態(tài)方程高, 但難以滿足對高壓氣體計算的需要但難以滿足對高壓氣體計算的需要.二、壓縮因子和普遍化壓縮因子圖二、壓縮因子和普遍化壓縮因子圖 1.1.壓縮因子（壓縮因子（compresdion factor） mpVpVZnRTRTmm()()VZV真真實實理理想想反映了真實氣體與理想氣反映了真實氣體與理想氣體的偏差程度；還反映了體的偏差程度；還反映了真實氣體壓縮的難易程度。真實氣體

13、壓縮的難易程度。在實際工作中，根據(jù)氣體在某一溫度的在實際工作中，根據(jù)氣體在某一溫度的Z-p曲線可求出曲線可求出Z值，值，這樣就可以計算真實氣體的這樣就可以計算真實氣體的PVT數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。.),()(, 1;),()(, 1;, 1mmmm難壓縮實際氣體理實易壓縮實際氣體理實理想氣體VVZVVZZZ=262 2、氣體的液化和臨界狀態(tài)（1）氣體的液化此即涉及到臨界性質(zhì)。實際氣體有兩個特點:分子間有相互作用力;分子本身也有體積。在適當?shù)臏囟群蛪毫ο驴梢砸夯＠硐霘怏w：RTPVm 不能被液化 任何氣體都會在一定溫度時液化. 液氮的沸點是196 Br2(g)冷卻發(fā)生液化. 液化現(xiàn)象表明 Br2分子在氣相

14、時就不具有零體積.27A 實際氣體：其等溫線規(guī)律如圖所示。實際氣體：其等溫線規(guī)律如圖所示。B 等溫線的解釋等溫線的解釋g( (氣體氣體) ) a( (飽和氣體飽和氣體) ) 加壓加壓體積縮小體積縮小a(飽和氣體飽和氣體) ) b( (飽和液體飽和液體) ) 恒壓恒壓體積顯著縮小體積顯著縮小b( (飽和液體飽和液體) ) l( (液體液體) ) 加壓加壓體積縮小體積縮小( (較小較小) )以溫度以溫度T1為為例例, ,曲線分為三段：曲線分為三段： CO2 定溫p-Vm,c 圖pVm,cT3gbalT1T2cTc28 溫度升高，如溫度升高，如T2 ，p-V 線上線上定壓水平段縮短，到溫度定壓水平段

15、縮短，到溫度T2縮為一點縮為一點C，此此即為即為臨界狀態(tài)。臨界狀態(tài)是氣液不可分的狀態(tài)。臨界狀態(tài)。臨界狀態(tài)是氣液不可分的狀態(tài)。C點所處狀態(tài)稱為點所處狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)臨界狀態(tài)。T Tc在在Tc以上，無論加多大壓力均不會使以上，無論加多大壓力均不會使氣體液化。氣體液化。T= Tc 氣液不可分的狀態(tài)。氣液不可分的狀態(tài)。Tc是在加壓下是在加壓下使使氣體液化的最高溫度。氣體液化的最高溫度。TTc在在Tc以以下下，對，對氣體氣體加壓力均可使加壓力均可使氣體液化。氣體液化。C 等溫線的種類小結(jié)等溫線的種類小結(jié)溫度升高，如溫度升高，如T3 ，曲線近似為雙曲線，無論如何加壓，氣體不能液化曲線近似為雙曲線，無論如何

16、加壓，氣體不能液化29飽和飽和: 一種氣一種氣 - 液兩相平衡的狀態(tài)液兩相平衡的狀態(tài).飽和蒸氣與飽和液體飽和蒸氣與飽和液體: 處于飽和狀態(tài)的氣體和液體處于飽和狀態(tài)的氣體和液體.飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓: 飽和蒸氣的壓力飽和蒸氣的壓力, 簡稱蒸氣壓簡稱蒸氣壓.純物質(zhì)的純物質(zhì)的飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓除與物質(zhì)本性有關(guān)外除與物質(zhì)本性有關(guān)外, 主要受主要受溫度溫度的影響的影響, 當物質(zhì)的兩相在較高溫度下達平衡時當物質(zhì)的兩相在較高溫度下達平衡時, 就具有較高的飽和蒸氣壓就具有較高的飽和蒸氣壓.純物質(zhì)飽和蒸氣壓與溫度的定量函數(shù)關(guān)系將在后續(xù)章節(jié)介紹純物質(zhì)飽和蒸氣壓與溫度的定量函數(shù)關(guān)系將在后續(xù)章節(jié)介紹T1更多說明更多

17、說明介紹物質(zhì)的飽和蒸汽壓，沸點概念介紹物質(zhì)的飽和蒸汽壓，沸點概念一定溫度下，蒸氣壓力小于飽和蒸汽壓，則液體將蒸發(fā)成氣體，一定溫度下，蒸氣壓力小于飽和蒸汽壓，則液體將蒸發(fā)成氣體，直至氣液平衡；同理，蒸汽壓大于飽和蒸直至氣液平衡；同理，蒸汽壓大于飽和蒸氣氣壓，則氣體凝結(jié)為壓，則氣體凝結(jié)為液體。液體。當液體的飽和蒸當液體的飽和蒸氣氣壓與外界壓力相等時，液體沸騰，此時壓與外界壓力相等時，液體沸騰，此時相應(yīng)的溫度稱為相應(yīng)的溫度稱為沸點沸點。這也是壓力鍋能提高水的沸點這也是壓力鍋能提高水的沸點的原因。的原因。沸騰沸騰：不僅液體表面的分子可以汽化，液體內(nèi)部的分子也：不僅液體表面的分子可以汽化，液體內(nèi)部的分子

18、也可以汽化?？梢云Ｅc液體類似，固體也存在飽和蒸汽壓。與液體類似，固體也存在飽和蒸汽壓。如如20 水的飽和蒸氣壓為水的飽和蒸氣壓為2.338 kPa。秋天夜晚，溫度降低，。秋天夜晚，溫度降低，大氣中水蒸氣分壓大于飽和蒸汽壓，于是結(jié)出露珠。大氣中水蒸氣分壓大于飽和蒸汽壓，于是結(jié)出露珠。31(2)物質(zhì)的臨界狀態(tài)T2更多說明更多說明介紹物質(zhì)的臨界常數(shù)介紹物質(zhì)的臨界常數(shù)臨界溫度臨界溫度:（critical temperature，Tc）使氣體能夠液）使氣體能夠液化所允許的最高溫度?；试S的最高溫度。臨界壓力臨界壓力:（critical pressure ，pc）在臨界溫度時的）在臨界溫度時的飽和蒸氣壓。是在臨界溫度時，使氣體液化所需要飽和蒸氣壓。是在臨界溫度時，使氣體液化所需要的最低壓力。的最低壓力。臨界摩爾體積臨界摩爾體積:（critical volume，Vm,c）是在臨界溫）是在臨界溫度和臨界壓力下物質(zhì)的摩爾體積。度和臨界壓力下物質(zhì)的摩爾體積。兼有氣體及液體雙重特性；體積質(zhì)量接近液體；粘度接近氣體；擴散系數(shù)比液體大約10倍。超臨界流體的以上特性在提取技術(shù)上有廣泛應(yīng)用。超臨界流體特性(3)(3)對應(yīng)狀態(tài)原理及壓縮因子圖對應(yīng)狀態(tài)原理及壓縮因子圖 rc