„Termodinamika - Fázisátalakulások” változatai közötti eltérés
A Fizipedia wikiből
a (→Ismert összefüggések: Az egyenleteket táblázatba szervezem.) |
|||
| (egy szerkesztő 11 közbeeső változata nincs mutatva) | |||
| 1. sor: | 1. sor: | ||
| + | <noinclude> | ||
[[Kategória:Kísérleti fizika 3. gyakorlat]] | [[Kategória:Kísérleti fizika 3. gyakorlat]] | ||
[[Kategória:Szerkesztő:Stippinger]] | [[Kategória:Szerkesztő:Stippinger]] | ||
| 5. sor: | 6. sor: | ||
| gyaksorszám = 6 | | gyaksorszám = 6 | ||
| témakör = Termodinamika - Fázisátalakulások | | témakör = Termodinamika - Fázisátalakulások | ||
| + | | fejezetlap = true | ||
}} | }} | ||
| + | == Ismert összefüggések == | ||
| + | <wlatex>Két fázis egyensúlya esetén érvényes | ||
| + | {| style="margin-left: auto; margin-right: auto;" | ||
| + | | align="left" | $\displaystyle \frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}T} = \frac{S_{M2}-S_{M1}}{V_{M2}-V_{M1}}$ || a ''Clausius–Clapeyron''-egyenlet és | ||
| + | |- | ||
| + | | align="left" | $\displaystyle \frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}T} = \frac{L_M}{T\Delta V_M}$ || a ''Clapeyron''-egyenlet, | ||
| + | |} | ||
| + | ahol $S_M$, $V_M$ és $L_M$ rendre a moláris entrópia, térfogat és átalakulási hő.<br /> | ||
| + | Levezetésük a [[Termodinamika példák - Szilárd-folyadék átalakulás közelítő egyensúlyi görbéje|Szilárd-folyadék egyensúlyi görbéről]] szóló feladatban található. | ||
| + | |||
== Ismert mérési adatok == | == Ismert mérési adatok == | ||
| − | + | ==== Mérési körülmények ==== | |
{| style="min-width: 50%; margin-left: auto; margin-right: auto; text-align: center;" | {| style="min-width: 50%; margin-left: auto; margin-right: auto; text-align: center;" | ||
| style="width: 25%;" | | | style="width: 25%;" | | ||
| 32. sor: | 44. sor: | ||
==== Anyagi tulajdonságok ==== | ==== Anyagi tulajdonságok ==== | ||
{| style="margin-left: auto; margin-right: auto; text-align: left;" | {| style="margin-left: auto; margin-right: auto; text-align: left;" | ||
| − | | style="text-align: right;" | $M_\text{víz}$ || = || $18{,}01528\,\mathrm{\frac{g}{mol}}$ || a víz moláris tömege | + | | style="text-align: right;" | $M_\text{víz}$ || = || $~\,~18{,}01528\,\mathrm{\frac{g}{mol}}$ || a víz moláris tömege |
|- | |- | ||
| − | | style="text-align: right;" | $\rho_\text{jég}$ || = || $~\,920\,\mathrm{\frac{kg}{m^3}}$ || a jég sűrűsége $0\,\mathrm{^\circ C}$-on | + | | style="text-align: right;" | $\rho_\text{jég}$ || = || $~\,920\,\mathrm{\frac{kg}{m^3}}$ || a jég sűrűsége $0\,\mathrm{^\circ C}$-on |
|- | |- | ||
| style="text-align: right;" | $\rho_\text{víz}$ || = || $1\,000\,\mathrm{\frac{kg}{m^3}}$ || a víz sűrűsége $4\,\mathrm{^\circ C}$-on | | style="text-align: right;" | $\rho_\text{víz}$ || = || $1\,000\,\mathrm{\frac{kg}{m^3}}$ || a víz sűrűsége $4\,\mathrm{^\circ C}$-on | ||
| 42. sor: | 54. sor: | ||
| style="text-align: right;" | $c_\text{jég}$ || = || $2\,093{,}5\,\mathrm{\frac{J}{kg\,K}}$ || a jég közepes fajhője | | style="text-align: right;" | $c_\text{jég}$ || = || $2\,093{,}5\,\mathrm{\frac{J}{kg\,K}}$ || a jég közepes fajhője | ||
|- | |- | ||
| − | | style="text-align: right;" | $L_{o\,\text{ | + | | style="text-align: right;" | $L_{o\,\text{jég}}$ || = || $~\,334{,}96\,\mathrm{\frac{kJ}{kg}}$ || a jég olvadáshője |
|- | |- | ||
| style="text-align: right;" | $c_\text{víz}$ || = || $4\,183\,\mathrm{\frac{J}{kg\,K}}$ || a víz fajhője $0\,\mathrm{^\circ C}$-on | | style="text-align: right;" | $c_\text{víz}$ || = || $4\,183\,\mathrm{\frac{J}{kg\,K}}$ || a víz fajhője $0\,\mathrm{^\circ C}$-on | ||
|- | |- | ||
| − | | style="text-align: right;" | $L_{f\,\text{víz}}$ || = || $2\,256{,}37\,\mathrm{\frac{kJ}{ | + | | style="text-align: right;" | $L_{f\,\text{víz}}$ || = || $2\,256{,}37\,\mathrm{\frac{kJ}{kg}}$ || a víz forráshője |
|- | |- | ||
| style="text-align: right;" | $c_{p\,\text{vízgőz}}$ || = || $1\,847\,\mathrm{\frac{J}{kg\,K}}$ || a vízgőz fajhője | | style="text-align: right;" | $c_{p\,\text{vízgőz}}$ || = || $1\,847\,\mathrm{\frac{J}{kg\,K}}$ || a vízgőz fajhője | ||
| 54. sor: | 66. sor: | ||
|} | |} | ||
</wlatex> | </wlatex> | ||
| + | |||
== Feladatok == | == Feladatok == | ||
| + | </noinclude> | ||
{{:Termodinamika példák - Átalakulási hő állandó nyomáson}}{{Megoldás|link=Termodinamika példák - Átalakulási hő állandó nyomáson}} | {{:Termodinamika példák - Átalakulási hő állandó nyomáson}}{{Megoldás|link=Termodinamika példák - Átalakulási hő állandó nyomáson}} | ||
{{:Termodinamika példák - Termodinamikai potenciálok víz elforralásakor}}{{Megoldás|link=Termodinamika példák - Termodinamikai potenciálok víz elforralásakor}} | {{:Termodinamika példák - Termodinamikai potenciálok víz elforralásakor}}{{Megoldás|link=Termodinamika példák - Termodinamikai potenciálok víz elforralásakor}} | ||
A lap jelenlegi, 2013. szeptember 20., 13:48-kori változata
| Navigáció Pt·1·2·3 |
|---|
| Kísérleti fizika 3. gyakorlat |
| Gyakorlatok listája: |
| Termodinamika - Fázisátalakulások |
| Feladatok listája: |
| © 2012-2013 BME-TTK, TÁMOP4.1.2.A/1-11/0064 |
Ismert összefüggések
Két fázis egyensúlya esetén érvényes
 |
a Clausius–Clapeyron-egyenlet és |
 |
a Clapeyron-egyenlet, |
ahol 
, 
és 
rendre a moláris entrópia, térfogat és átalakulási hő.
Levezetésük a Szilárd-folyadék egyensúlyi görbéről szóló feladatban található.
Ismert mérési adatok
Mérési körülmények
| Fizikai normál állapot | Szobahőmérsékletű állapot | Kémiai standard állapot | |
| p (nyomás) | 
|
|
|
| T (hőmérséklet) |  
|
 
|
 
|
| VM (móltérfogat) | 
|
|
|
Anyagi tulajdonságok
 |
= |  |
a víz moláris tömege |
 |
= |  |
a jég sűrűsége  -on
|
 |
= |  |
a víz sűrűsége  -on
|
 |
ideális gázként közelítjük a vízgőz sűrűségét | ||
 |
= |  |
a jég közepes fajhője |
 |
= |  |
a jég olvadáshője |
 |
= |  |
a víz fajhője -on
|
 |
= |  |
a víz forráshője |
 |
= |  |
a vízgőz fajhője |
 |
= |  |
a vízgőz fajhője |
Feladatok
- Mutassuk meg, hogy mechanikai- és termikus kölcsönhatásban részt vevő rendszerben állandó nyomáson végbemenő fázisátalakulásnál az átalakulási hő (
) az entalpiaváltozással (
) egyenlő!ÚtmutatásHasználjuk az entalpia definícióját és az első főtételt!
-
víznek normál nyomáson (
) való elforralásához egy elektromos merülőforralón a 
-os feszültségforrásból 
-en át 
áramot kell átfolyatni. A gázállandó 
, a víz moláris tömege 
.
Határozzuk meg a víz- a) entalpia-,Útmutatáshasználjuk fel az előző feladat eredményét az izobár átalakulási hőre.Végeredmény
![\[\Delta H = W_\text{el} = 2{,}26\,\mathrm{MJ}\]](/images/math/4/f/d/4fdaf5770143071de6a318dd403592b3.png)
- b) entrópia- ésÚtmutatáshasználjuk az entrópia definíciójátVégeredmény
![\[\Delta S = 6{,}06\,\mathrm{\frac{kJ}{K}}\]](/images/math/7/2/7/7276d2981b6be7939e2cbb7053cfb7e9.png)
- c) belső energiaváltozását ebben a folyamatban!Útmutatásírjuk fel az entalpiaváltozás és belső energiaváltozás összefüggését, hanyagoljuk el a víz térfogatát a gőzéhez képest, és a gőzt tekintsük ideális gáznak.Végeredmény
![\[\Delta U=\Delta H-\frac{m}{M}RT=2{,}09\,\mathrm{MJ}\]](/images/math/0/8/9/089fe9b22dd39aba913ca295f3f5cd56.png)
- a) entalpia-,
- Henger alakú edényben
hőmérsékletű telített vízgőz van. Egy súlytalan dugattyú lassú betolásának hatására az edényben 
víz lecsapódik. A víz moláris tömege 
A folyamat során a nyomás a 
külső légnyomással egyenlő.
Mennyi munkát végeztünk ezalatt az ideális gáznak tekinthető vízgőzön?Végeredmény![\[\Delta W=p_k\left(V_1-V_2\right)=\frac{RT_f}{M}\Delta m=120\,\mathrm{J}\]](/images/math/0/1/c/01c0c0abb9f739cbff493a96bc03ec39.png)
- Ábrázoljuk (kvalitatív módon) egy tiszta anyag kémiai potenciáljának
hőmérsékletfüggését állandó nyomáson, az anyag szilárd-, folyadék- és gőzállapotát átfogó hőmérséklet-intervallumban! Az olvadáspontot 
-val, a forráspontot 
-ral jelöljük, és tegyük fel, hogy a mólentrópia egy fázison belül nem függ a hőmérséklettől!ÚtmutatásHasználjuk fel aegyenletet, a kémiai potenciál és a szabad entalpia összefüggését, továbbá két fázis egyensúlyának feltételét.![\[\left(\frac{\partial G}{\partial T}\right)_p=-S\]](/images/math/5/d/3/5d3e0ea157a966637bfd4bc7513fc8bd.png)
- Felhasználva, hogy az olvadáspont az állandó nyomáson felvett
diagramban a szilárd fázisra és a folyadékra érvényes görbék metszéspontjánál van mutassuk ki, hogy a nyomás növelésekor az olvadáspont nő, ha a szilárd fázis móltérfogata kisebb, mint a folyadéké! Hogyan változik a jég olvadáspontja, a nyomás növelésekor?ÚtmutatásA nyomásváltozás a görbét eltolja, mégpedig a két fázisban általában különbözőképpen. A görbe eltolódásának mértékét adott hőmérsékleten, adott fázisban a összefüggés adja meg.![\[\left(\frac{\partial \mu }{\partial p}\right)_T= V_M\]](/images/math/2/5/a/25a4030c915d37e859e677c758ddfc3f.png)
- A szilárd-folyadék egyensúlyi görbének (olvadási görbe) közelítő meghatározására gyakran használják a
összefüggést (
a 
nyomáson, 
a 
nyomáson érvényes olvadáspont, az egyenletben szereplő 
az anyag moláris átalakulási hője (vagy moláris entalpiaváltozása), 
pedig a móltérfogat változása az olvadásnál).
- a) Vezessük le ezt az egyenletet, és állapítsuk meg, hogy milyen feltételek mellett érvényes!ÚtmutatásIntegráljuk a Clausius-Clapeyron-egyenletet!
- b) Mutassuk ki, hogy a -hez képest kis
érték eseten az egyensúlyi nyomás lineárisan változik a különbséggel!ÚtmutatásHasználjuk fel a kis
-ekre érvényes 
összefüggést.
- a) Vezessük le ezt az egyenletet, és állapítsuk meg, hogy milyen feltételek mellett érvényes!
- A jég olvadáshője
nyomáson 
. A jég és a víz fajlagos térfogatának aránya 
. Becsüljük meg, mennyivel tolódik el az olvadáspont kis nyomásnövekedés hatására!Végeredmény![\[\mathrm{d}T=-\frac{0{,}09v_\text{víz}T}{L}\,\mathrm{d}p= -7{,}34\cdot10^{-8}\mathrm{\frac{K}{Pa}}\,\mathrm{d}p\]](/images/math/2/b/7/2b73b88d36a28976c45ec8366c83d6ee.png)
- Ha a nyomást
-ral megnöveljük, akkor a víz forrási hőmérséklete 
-kal növekszik. Ennek felhasználásával becsüljük meg a víz forráshőjét!ÚtmutatásA vízgőzre alkalmazzuk az ideális gáz egyenletét, és hanyagoljuk el a víz fajlagos térfogatát a gőzéhez képest!Végeredmény![\[L_f\approx \frac{\Delta p}{\Delta T}\frac{RT^2}{p_kM}=2253\,\mathrm{\frac{kJ}{kg}}\]](/images/math/4/c/7/4c7c0dfc446c66a05097776d64fc920c.png)
- A szilárd argon
nyomáson 
hőmérsékleten olvad meg. Olvadáshője ekkor 
, móltérfogatának változása 
. A nyomás növekedésekor kísérleti eredmények szerint az olvadáshő nem változik, a 
móltérfogatváltozás viszont az abszolút hőmérséklet megközelítőleg 
-ik hatványával arányos.
Mekkora nyomást kell alkalmaznunk ahhoz, hogy az olvadási hőmérséklet megkétszereződjék?ÚtmutatásA
hőmérsékletfüggésének figyelembevételével integráljuk a Clausius-Clapeyron-egyenletet! Végeredmény![\[p=p_0+\frac{2L}{3\Delta v_0}\left(1-\left(\frac{T_0}{T}\right)^{3/2}\right)=1449\,\mathrm{bar}\]](/images/math/b/5/9/b59affbd1e174e38c0177e77ed696768.png)
- Egy homogén anyag adott hőmérsékleten két fázisban (
és 
) létezhet. Az egyes fázisok moláris szabad energiáinak térfogattól való függése (rögzített hőmérsékleten, állandó anyagmennyiség esetén) az ábrán látható.
Mutassuk ki, hogy egyensúlyi állapotban a fázisok
és 
térfogatai a két görbéhez húzott közös érintő érintési pontjainak abszcisszái, a közös nyomás pedig az érintő negatív iránytangense!
Útmutatásfejezzük ki a nyomást és a kémiai potenciált a szabad energiával (
, ill. 
), és használjuk ki, hogy fázisegyensúlyban a két fázis nyomása és kémiai potenciálja egyenlő!
- Az ábrán különböző mennyiségek hőmérsékletfüggését mutatjuk be a
fázisátalakulási hőmérséklet környezetében. Az ábrák közül melyik tartozhat elsőrendű és melyik másodrendű fázisátalakuláshoz?
VégeredményElsőrendűek: a), b), e), h).
Másodrendűek: c)', d)', f), g).
