Les 1 Thermodynamisch evenwicht...1, P 1) alsreferentie Lijktop Antoine correlaties: H 10.2 cT c...
Transcript of Les 1 Thermodynamisch evenwicht...1, P 1) alsreferentie Lijktop Antoine correlaties: H 10.2 cT c...
Scheidingstechnologie
2017 by M.A. van der Veen and B. Eral
Praktische zaken• Docenten: M.A. van der Veen & Burak Eral• Rooster: zie Brightspace• Boeken:
Thermodynamics and Statistica Mechanics, M. Scott Shell (lessen van der Veen)Industrial Separation Processes, Andre de Haan & Hans Bosch (lessen Eral)
• Lessen van der Veen:Vragen hoorcolleges: [email protected] oefeningen: [email protected]
(Adrian Gonzalez Nelson)
Tentamen
3 deeltoesten (1/3+1/3+1/3 = eindcijfer)14 mei: les 1-44/5 juni: les 5-828 juni: les 9-13
1 hertentamenTe gebruiken op tentamen:• formularium mbt lessen van der Veen (krijg je dan)• open boek (Industrial Separation Processes, Andre de Haan &
Hans Bosch): Overhead, uitwerkingen van (oefen)opgaven, eerdere toetsen en/of tentamina zijn uitdrukkelijk niet toegestaan
Schrijf je voor tentamen nog voor de eerste deeltoets als je je puntenop BS na elk deeltoets wilt kunnen zien!!!
DestillatieThermodynamica Vloeistof-Damp evenwicht
Absorptie/extractieThermodynamica Vloeistof-Vloeistof evenwicht
(Reactieve) KristallisatieThermodynamica Vloeistof-Vast evenwicht
Thermodynamica Chemish evenwicht Colloidale ScheidingenThermodynamica Interfase evenwicht
J. Nanotechnol. Eng. Med 5(2), 021007
https://vimeo.com/106807085
http://www.hitekengineers.com/
liquid-liquid-extraction-column.html
http://www.live-destillation.de/
DestillatieThermodynamica Vloeistof-Damp evenwicht
Absorptie/extractieThermodynamica Vloeistof-Vloeistof evenwicht
Colloidale ScheidingenThermodynamica Interfase evenwicht
J. Nanotechnol. Eng. Med 5(2), 021007
http://www.hitekengineers.com/liquid-liquid-extraction-column.html
http://www.live-destillation.de/
(Reactieve) KristallisatieThermodynamica Vloeistof-Vast evenwichtThermodynamica Chemish evenwicht
https://vimeo.com/106807085
Inhoud deze les• Thermodynamica: algemene concepten• Thermodynamisch evenwicht• Leerdoelen:
- begrip en gebruik van volgende thermodynamische concepten: interne energie; open, gesloten en geïsoleerde systemen; intensieve en extensieve grootheden; 1ste en 2de hoofdwet
- gebruik kunnen maken van de fundamentele vergelijkingen en evenwichtscondities om relaties te kunnen afleiden (bv. de Clapeyronvergelijking, maar ook nieuwe relaties om oefeningen te kunnen oplossen)
- gebruik kunnen maken van de Gibbs faseregel- gebruik en begrip van fase-diagrammen- gebruik en begrip van de Clapeyron en Clausius-Clapeyron vergelijking- gebruik en begrip van de Antione correlatie- Oefeningen: beoordeel of je uitkomst wel zinvol isBoek: H 2.1, 2.2, 5.2, 6.1, 7.1, 7.10, 7.11, 10.1, 10.2
Thermodynamica
Systemen
omgeving omgeving omgeving
energie
materie
energie adiabatisch
OPEN GESLOTEN GEISOLEERD
Grootheden
• Extensief: afhankelijk van hoeveelheid materieV, H, G, E, N(aantal mol), n(aantal molecule)
• Intensief: onafhankelijk van hoeveelheid materieP, T, r, h, g
Welk type systeem zijn de pompoenstukjes?
A. Geïsoleerd systeemB. Gesloten systeemC. Open systeem Geïso
leerd syste
em
Gesloten sy
steem
Open syste
em
33% 33%33%
H 7.1
Welk type systeem is de pasta?
A. Geïsoleerd systeemB. Gesloten systeemC. Open systeem
Geïsoleerd sy
steem
Gesloten sy
steem
Open syste
em
33% 33%33%
H 7.1
Is entropie S een extensievegrootheid?
A. JaB. Nee
Ja Nee
50%50%
H 5.2
Is chemische potentiaal μ eenextensieve grootheid?
A. JaB. Nee
Ja Nee
50%50%
H 5.2
Interne energie E
Interne energie is alle energie van een systeem:
Kinetische Energie + Potentiele Energie- (mv2/)/2 - Chemische energie
- Electrische energie- Gravitationele energie- Nucleaire energie- …
Moeilijk exact te bepalen! We zijn geinteresseerd in verschillen
Transfer van energie
omgeving
E(om)
geslotensystem
E(gs)
werk
warmte
Transfer van energie
omgeving
E(om)
geslotensystem
E(gs)
werk
warmte
Transfer van energie
omgeving
E(om)
geslotensystem
E(s)
werk
warmte
DE(s) = Efinal(s)-Efinal(s)
Transfer van energie
omgeving
E(om)
geslotensystem
E(s)
werk
warmte
DE(s) = Efinal(s)-Efinal(s)DE(om) = Efinal(om)-Efinal(om)
Transfer van energie
omgeving
E(om)
geslotensystem
E(s)
werk
warmte
DE(s) = Efinal(s)-Einitial(s)DE(om) = Efinal(om)-Einitial(om)
DE(s) = -DE(om) 1ste Hoofdwet Thermodynamica
Tweede hoofdwet
“in een geïsoleerd systeem, kunnen allespontane processen enkel de totale entropie van het systeem verhogen”
Anders gezegd: een evenwicht van eengeïsoleerd systeem komt overeen met maximaliseren van de entropie van het systeem
H 4.5
Evenwichtscondities?
G = H – TS SMinimaal Maximaal
?H 7.1
Wat is de correcteevenwichtsconditie?
A. Voor systeem + bad geldt: G is minimaalB. Voor systeem + bad geldt: S is maximaal
Voor syste
em + bath geld..
Voor syste
em + bath geld..
50%50%P, T = cteP, T = cte
systemOmgeving/bad
Uitwisseling van volume enenergie
EntropieS=S(E, V, N)
Fundamentale vergelijkingen:
Geïntegreerde vorm (via Euler’s theorem):
dNT
dVTPdE
TdS µ
-+=1
dNPdVTdSdE µ+-=
H 2.2, 5.2NPVTSE µ+-=TN
TPV
TES µ
-+=
Multicomponent systemPotentiaal Gedifferentieerde vorm Geïntegreerde vormS(E,V, {N})
E(S,V, {N})
H(S,P, {N})
G(T,P, {N})
H 7.10,7.11
ii
i dNT
dVTPdE
TdS å-+=
µ1 å-+=i
ii
TN
TPV
TES µ
å+-=i
iiNPVTSE µå+-=i
iidNPdVTdSdE µ
PVEH +=
TSPVEG -+=
å++=i
iidNVdPTdSdH µ
å++-=i
iidNVdPSdTdG µ
Single component system, intensieve potentialen
Potentiaal per mol of per molecule
Gedifferentieerde vorm Geïntegreerde vorm
s(e,v)
e(s,v)
h(s,P)g(T,P)
dvTPde
Tds +=
1
TTPv
Tes µ
-+=
µ+-= PvTsePdvTdsde -=
vdPTdsdh +=
vdPsdTdg +-=
Pveh +=
TsPveg -+=
H 7.10,7.11
Nu weet je bijna alles!Vanuit de 1ste en 2de hoofdwet en de fundamentele
vergelijkingen kan je bijna alle thermodynamische relatiesafleiden
Fase evenwicht
Condities voor fase evenwicht
Wat moetgemaximaliseerd zijnvoor evenwicht tussenfase α en fase β?
H 10.1CO2
Dus μg = μl op evenwicht. Geldt dit:
• A. altijd• B. enkel bij constante P en T• C. enkel bij constante V en T• D. enkel bij constante T en P of cte T en V
H 10.1
P, T =cte è G minimaalbij evenwicht
en G=Nμ
Dus T < Tk :T > Tk :
Condities voor fase-evenwicht
H 10.1
Condities voor fase-evenwicht
A. 3
B. 2
C. 1
3 2 1
12%22%
65%
Tα = Tβ , Pα = Pβ , μα = μβ
Om een thermodynamische toestand te specifiëren, hebben we drievariabelen nodig S(E,V,N).
Als we de intensieve toestand willen specifieren, hebben we aan twee variabelen genoeg (s(e,v))
Hoeveel intensieve variabelen hebben we nodig om een fase-evenwichttussen twee fasen (vb. gas-vloeistof) te specifiëren?
H 10.1
Gibbs fasenregel
H 10.1
Gibbs fasenregel
H 10.1
Clapeyron vergelijking: relaties waar fase-evenwichten aan voldoen
• Op fase-evenwicht (dus op een faselijn) geldt:
• Herinner je de fundamentele vergelijking vooreen pure substantie:
dg = -sdT + vdP (en g =μ)
),(),( PTdPTd ba µµ =
H 10.2
Langs een damp-vloeistof faselijn
),(),( PTdPTd GL µµ =
vTh
dTdP
faselijn DD
=÷øö
çèæ
Clapeyron vergelijkingH 10.2
Langs een damp-vloeistof faselijn
Clausius-Clapeyron
2
lnTkh
dTPd
Bfaselijn
D=÷
øö
çèæ
H 10.2
÷÷ø
öççè
æ-
D-=÷÷
ø
öççè
æ
121
2 11lnTTk
hPP
B
Voor welke andere fase-evenwichten geldt Clausius-Clapeyron?
A. Vast-vloeistofB. Vast-gasC. Vast-vastD. Vloeistof-vloeistofE. Vast-vloeistof, vast-gas
en vast-vastF. Vast-vloeistof
en vloeistof-vloeistofVast-
vloeistof
Vast-gas
Vast-vast
Vloeistof-v
loeistof
Vast-vloeist
of, vast-
gasen...
Vast-vloeist
ofen vloeistof...
4%
75%
6%11%
2%2%
2
lnTkh
dTPd
Bfaselijn
D=÷
øö
çèæ
H 10.2
Oefening: als het kookpunt van een substantie 335 K is ondernormale condities en de verdampingsenthalpie is 92,1 kJ/mol, bereken dan
i) het kookpunt bij 5 atmii) de dampspanning van de component bij 300K?
A. i) 335 K, ii) 1 atmB. i) 335 K, ii) 0,996 atmC. i) 352 K, ii) 0,0211
atmD. i) 352 K, ii) 0,0326
atmE. i) 367 K, ii) 0,0211
atmF. i) 367 K, ii) 0,0326
atm i) 335 K, ii
) 1 atm
i) 335 K, ii
) 0,996 atm
i) 352 K, ii
) 0,0211 at
m
i) 352 K, ii
) 0,0326 atm
i) 367 K, ii
) 0,0211 atm
i) 367 K, ii
) 0,0326 atm
17% 17% 17%17%17%17%
H 10.2
Antoine correlatie
Clausius-Clapeyron
Met (T1, P1) als referentie
Lijkt op Antoine correlaties:
H 10.2
TcccTPvap
+-=
3
21)(ln
gebruik je bij destillatieberekeningen
÷÷ø
öççè
æ-
D-=÷÷
ø
öççè
æ
121
2 11lnTTk
hPP
B
TccTPvap 2
1)(ln -=
Waarom c3?
Videomateriaal! Let op een aantal annotaties voor grootheden zijn anders !Systemen en extensief/intensief: https://www.youtube.com/embed/dMK_W8JkrUQ?start=0&end=428&autoplay=1Interne energie en 1ste hoofdwet:https://www.youtube.com/embed/dMK_W8JkrUQ?start=436&end=759&autoplay=1https://www.youtube.com/embed/dMK_W8JkrUQ?start=816&end=1039&autoplay=1Gibbs fase-diagram:https://www.youtube.com/embed/o6LvdHU8hKI?start=685&end=1065&autoplay=1Gibbs fase-regel:https://www.youtube.com/embed/o6LvdHU8hKI?start=3902&end=4040&autoplay=1Clapeyron: (let op: g = "̅ (=G/n) ; s = ̅# (=S/n) ; v = $% (=S/n) )https://www.youtube.com/embed/o6LvdHU8hKI?start=1485&end=1873&autoplay=1Clausius-Clapeyron: (let op h =H (=H/n)https://www.youtube.com/embed/o6LvdHU8hKI?start=2514&end=2800&autoplay=1