PROPERTIES OF PURE SUBSTANCESWe sta

PROPERTIES OF PURE SUBSTANCES

We start this chapter with the introduction of the con- cept of a physics of phase-change processes. We then illus- pure substance and a discussion of the
trate the various property diagrams and P-v-T surfaces of
pure substances. After demonstrating the use of the property
tables, the hypothetical substance ideal gas and the ideal-gas
equation of state are discussed. The compressibility factor,
which accounts for the deviation of real gases from ideal-gas
behavior, is introduced, and some of the best-known equations of state such as the van der Waals, Beattie-Bridgeman,
and Benedict-Webb-Rubin equations are presented.
Objectives
The objectives of Chapter 3 are to:
• Introduce the concept of a pure substance.
• Discuss the physics of phase-change processes.
• Illustrate the P-v, T-v, and P-T property diagrams and P-v-T
surfaces of pure substances.
• Demonstrate the procedures for determining
thermodynamic properties of pure substances from tables
of property data.
• Describe the hypothetical substance “ideal gas” and the
ideal-gas equation of state.
• Apply the ideal-gas equation of state in the solution of
typical problems.
• Introduce the compressibility factor, which accounts for the
deviation of real gases from ideal-gas behavior.
• Present some of the best-known equations of state.
3–1 ■ PURE SUBSTANCE
A substance that has a fixed chemical composition throughout is called a
pure substance. Water, nitrogen, helium, and carbon dioxide, for example,
are all pure substances.
A pure substance does not have to be of a single chemical element or
compound, however. A mixture of various chemical elements or compounds
also qualifies as a pure substance as long as the mixture is homogeneous.
Air, for example, is a mixture of several gases, but it is often considered to
be a pure substance because it has a uniform chemical composition
(Fig. 3–1). However, a mixture of oil and water is not a pure substance.
Since oil is not soluble in water, it will collect on top of the water, forming
two chemically dissimilar regions.
A mixture of two or more phases of a pure substance is still a pure substance as long as the chemical composition of all phases is the same
(Fig. 3–2). A mixture of ice and liquid water, for example, is a pure substance because both phases have the same chemical composition. A mixture
of liquid air and gaseous air, however, is not a pure substance since the
composition of liquid air is different from the composition of gaseous air,
and thus the mixture is no longer chemically homogeneous. This is due
to different components in air condensing at different temperatures at a
specified pressure.
3–2 ■ PHASES OF A PURE SUBSTANCE
We all know from experience that substances exist in different phases. At
room temperature and pressure, copper is a solid, mercury is a liquid, and
nitrogen is a gas. Under different conditions, each may appear in a different
phase. Even though there are three principal phases—solid, liquid, and
gas—a substance may have several phases within a principal phase, each
with a different molecular structure. Carbon, for example, may exist as
graphite or diamond in the solid phase. Helium has two liquid phases; iron
has three solid phases. Ice may exist at seven different phases at high pressures. A phase is identified as having a distinct molecular arrangement that
is homogeneous throughout and separated from the others by easily identifiable boundary surfaces. The two phases of H2O in iced water represent a
good example of this.
When studying phases or phase changes in thermodynamics, one does not
need to be concerned with the molecular structure and behavior of different
phases. However, it is very helpful to have some understanding of the molecular phenomena involved in each phase, and a brief discussion of phase
transformations follows.
Intermolecular bonds are strongest in solids and weakest in gases. One
reason is that molecules in solids are closely packed together, whereas in
gases they are separated by relatively large distances.
The molecules in a solid are arranged in a three-dimensional pattern (lattice) that is repeated throughout (Fig. 3–3). Because of the small distances
between molecules in a solid, the attractive forces of molecules on each
other are large and keep the molecules at fixed positions (Fig. 3–4). Note
that the attractive forces between molecules turn to repulsive forces as the
distance between the molecules approaches zero, thus preventing the molecules from piling up on top of each other. Even though the molecules in a
solid cannot move relative to each other, they continually oscillate about
their equilibrium positions. The velocity of the molecules during these oscillations depends on the temperature. At sufficiently high temperatures, the
velocity (and thus the momentum) of the molecules may reach a point
where the intermolecular forces are partially overcome and groups of molecules break away (Fig. 3–5). This is the beginning of the melting process.
The molecular spacing in the liquid phase is not much different from that
of the solid phase, except the molecules are no longer at fixed positions relative to each other and they can rotate and translate freely. In a liquid, the
intermolecular forces are weaker relative to solids, but still relatively strong
compared with gases. The distances between molecules generally experience a slight increase as a solid turns liquid, with water being a notable
exception.
In the gas phase, the molecules are far apart from each other, and a molecular order is nonexistent. Gas molecules move about at random, continually
colliding with each other and the walls of the container they are in. Particularly at low densities, the intermolecular forces are very small, and collisions are the only mode of interaction between the molecules. Molecules in
the gas phase are at a considerably higher energy level than they are in the
liquid or solid phases. Therefore, the gas must release a large amount of its
energy before it can condense or freeze.
3–3 ■ PHASE-CHANGE PROCESSES
OF PURE SUBSTANCES
There are many practical situations where two phases of a pure substance
coexist in equilibrium. Water exists as a mixture of liquid and vapor in the
boiler and the condenser of a steam power plant. The refrigerant turns from
liquid to vapor in the freezer of a refrigerator. Even though many home
owners consider the freezing of water in underground pipes as the most

Kết quả (Việt) 1:

TÍNH CHẤT TINH KHIẾT CỦAChúng tôi bắt đầu chương này với sự ra đời của cept con vật lý của các giai đoạn thay đổi quá trình. Chúng tôi sau đó illus - chất tinh khiết và một cuộc thảo luận của cáctrate khác nhau bất động sản sơ đồ và v pham bề mặt củaCác chất tinh khiết. Sau khi chứng minh việc sử dụng của tài sảnbảng, khí lý tưởng của giả thuyết chất và khí lý tưởngphương trình của nhà nước được thảo luận. Các yếu tố nén,chiếm độ lệch thực khí từ khí lý tưởnghành vi, được giới thiệu, và một số các phương trình nổi tiếng nhất của nhà nước như van der Waals, Beattie-Bridgeman,và Benedict-Webb-Rubin phương trình được trình bày.Mục tiêuMục tiêu của chương 3 là:• Giới thiệu khái niệm về một chất tinh khiết.• Thảo luận về vật lý của các giai đoạn thay đổi quá trình.• Minh họa P-v, T-v, và P-T bất động sản sơ đồ và v phambề mặt của chất tinh khiết.• Chứng minh các thủ tục để xác địnhCác tính chất nhiệt của chất tinh khiết từ bảngdữ liệu bất động sản.• Mô tả các giả thuyết chất "khí lý tưởng" và cáckhí lý tưởng các phương trình của nhà nước.• Áp dụng phương trình khí lý tưởng của nhà nước trong các giải pháp củavấn đề tiêu biểu.• Giới thiệu các yếu tố nén, các tài khoản cho cácđộ lệch của các loại khí thực sự từ hành vi khí lý tưởng.• Trình bày một số phương trình nổi tiếng nhất của nhà nước.3-1 ■ TINH KHIẾT CHẤTMột chất có một thành phần hóa học cố định trong suốt được gọi là mộtchất tinh khiết. Nước, nitơ, heli, và điôxít cacbon, ví dụ,là tất cả tinh khiết chất.Một chất tinh khiết không phải là một nguyên tố hóa học duy nhất hoặc««hợp chất, Tuy nhiên. Một hỗn hợp của nguyên tố hóa học khác nhau hoặc các hợp chấtcũng đủ điều kiện như là một chất tinh khiết miễn là hỗn hợp đồng nhất.Máy, ví dụ, là một hỗn hợp của một số khí, nhưng nó thường được coi là đểcó một chất tinh khiết bởi vì nó có một thành phần hóa học thống nhất(Hình 3-1). Tuy nhiên, một hỗn hợp dầu và nước không phải là một chất tinh khiết.Kể từ khi dầu không phải là hòa tan trong nước, nó sẽ thu thập trên mặt nước, tạo thànhhai khu vực khác nhau về mặt hóa học.Một hỗn hợp của hai hoặc nhiều giai đoạn của một chất tinh khiết vẫn còn là một chất tinh khiết miễn là thành phần hóa học của tất cả các giai đoạn là như nhau(Hình 3-2). Một hỗn hợp của nước đá và nước, ví dụ, là một chất tinh khiết bởi vì cả hai giai đoạn có thành phần hóa học tương tự. Một hỗn hợpkhông khí chất lỏng và khí máy, Tuy nhiên, không phải là một chất tinh khiết từ cácCác thành phần của chất lỏng không khí là khác nhau từ các thành phần của khí máy,và do đó hỗn hợp là không đồng nhất về mặt hóa học. Điều này là dođể các thành phần khác nhau trong không khí ngưng tụ ở các nhiệt độ khác nhau tại mộtáp lực được chỉ định.■ 3-2 GIAI ĐOẠN CỦA MỘT CHẤT TINH KHIẾTTất cả chúng ta biết từ kinh nghiệm chất tồn tại trong giai đoạn khác nhau. Tạinhiệt độ phòng và áp suất, đồng là một chất rắn, thủy ngân là một chất lỏng, vànitơ là một chất khí. Dưới điều kiện khác nhau, mỗi có thể xuất hiện trong một khác nhaugiai đoạn. Mặc dù có ba giai đoạn chính — rắn, chất lỏng, vàkhí-một chất có thể có một số giai đoạn trong một giai đoạn chính, mỗivới một cấu trúc phân tử khác nhau. Cacbon, ví dụ, có thể tồn tại như làthan chì hoặc kim cương trong giai đoạn rắn. Heli có hai giai đoạn lỏng; sắtcó ba giai đoạn rắn. Băng có thể tồn tại ở bảy giai đoạn khác nhau ở áp suất cao. Một giai đoạn được xác định là có một sắp xếp phân tử khác biệt màlà đồng nhất trong suốt và cách nhau từ những người khác bằng bề mặt dễ nhận biết ranh giới. Giai đoạn hai của H2O đá nước đại diện cho mộtVí dụ tốt về điều này.Khi học tập giai đoạn hoặc giai đoạn thay đổi trong nhiệt động lực học, một khôngcần phải quan tâm đến cấu trúc phân tử và các hành vi khác nhaugiai đoạn. Tuy nhiên, nó là rất hữu ích để có một số sự hiểu biết về các hiện tượng phân tử tham gia vào mỗi giai đoạn, và một cuộc thảo luận ngắn gọn của giai đoạnsau biến đổi.Intermolecular trái phiếu là mạnh nhất trong chất rắn và yếu nhất trong các khí. Một trong nhữnglý do là rằng phân tử trong chất rắn được chặt chẽ đóng gói với nhau, trong khi ởkhí họ được ngăn cách bởi khoảng cách tương đối lớn.Các phân tử trong một rắn được sắp xếp theo một mô hình ba chiều (lưới) lặp đi lặp lại trong suốt (hình 3-3). Bởi vì khoảng cách nhỏgiữa các phân tử trong một rắn, lực hấp dẫn của các phân tử trên mỗikhác lớn và giữ cho các phân tử tại các vị trí cố định (hình 3-4). Lưu ýmà lực hấp dẫn giữa các phân tử chuyển để đẩy lực lượng như cáckhoảng cách giữa các phân tử phương pháp tiếp cận 0, do đó ngăn ngừa các phân tử từ xi măng đất lên trên đầu trang của mỗi khác. Mặc dù các phân tử trong mộtrắn không thể di chuyển tương đối với nhau, họ liên tục dao động vềvị trí cân bằng của họ. Vận tốc của các phân tử trong những dao động phụ thuộc vào nhiệt độ. Ở nhiệt độ đủ cao, cácvận tốc (và do đó Đà) của các phân tử có thể đạt đến một điểmnơi các lực lượng intermolecular có một phần vượt qua và phá vỡ các nhóm của các phân tử đi (hình 3-5). Điều này là sự khởi đầu của quá trình nóng chảy.Khoảng cách phân tử trong pha lỏng không phải là nhiều khác nhau từ đócủa pha rắn, ngoại trừ các phân tử là không cố định vị trí tương đối với nhau và họ có thể xoay và dịch tự do. Trong một chất lỏng, cácintermolecular lực lượng đang yếu hơn so với chất rắn, nhưng vẫn còn tương đối mạnhso sánh với khí. Khoảng cách giữa các phân tử thường kinh nghiệm một sự gia tăng nhẹ vì một rắn biến chất lỏng, với nước là một đáng chú ýngoại lệ.Trong giai đoạn khí, các phân tử có xa nhau, và một trật tự phân tử là không tồn tại. Phân tử khí di chuyển ngẫu nhiên, liên tụcva chạm với nhau và các bức tường của họ đang có trong container. Đặc biệt là tại mật độ thấp, các lực lượng intermolecular là rất nhỏ, và va chạm là chế duy nhất của sự tương tác giữa các phân tử. Các phân tử tronggiai đoạn khí đang ở một mức năng lượng cao hơn đáng kể hơn họ đang có trong cácgiai đoạn lỏng hoặc rắn. Do đó, khí phải phát hành một số lượng lớn của nónăng lượng trước khi nó có thể ngưng tụ hoặc đóng băng.3-3 ■ GIAI ĐOẠN THAY ĐỔI QUY TRÌNHCÁC CHẤT TINH KHIẾTCó rất nhiều tình huống thực tế trong trường hợp hai giai đoạn của một chất tinh khiếtcùng tồn tại trong cân bằng. Nước tồn tại như một hỗn hợp của chất lỏng và hơi trong cácnồi hơi và ngưng tụ của một nhà máy điện hơi nước. Refrigerant quay từchất lỏng để làm bay hơi trong tủ đông của tủ lạnh. Mặc dù nhiều trang chủchủ sở hữu xem xét việc đóng băng của nước trong đường ống ngầm như hầu hết các

Kết quả (Việt) 2:

TÍNH CHẤT PURE Chúng tôi bắt đầu chương này với việc giới thiệu các khái niệm của một vật lý của quá trình thay đổi pha. Chúng tôi sau đó minh hoạ chất tinh khiết và một cuộc thảo luận của các cô đặc các sơ đồ tài sản khác nhau và PVT bề mặt của các chất tinh khiết. Sau khi chứng minh việc sử dụng của tài sản bàn, chất giả thuyết khí lý tưởng và lý tưởng khí phương trình trạng thái được thảo luận. Các yếu tố nén, chiếm độ lệch của khí thật lý tưởng-ga hành vi, được giới thiệu, và một số các phương trình nổi tiếng nhất của nhà nước như van der Waals, Beattie-Bridgeman, và Benedict-Webb-Rubin phương trình trình bày. Mục tiêu Các mục tiêu của chương 3 là:. • Giới thiệu các khái niệm của một chất tinh khiết • Thảo luận về vật lý của quá trình thay đổi pha. • Minh họa sơ đồ tài sản Pv, Tv, và PT và PVT bề mặt của các chất tinh khiết. • Thể hiện các thủ tục để xác định tính chất nhiệt của các chất tinh khiết từ các bảng dữ liệu tài sản. • Mô tả các chất giả thuyết "khí lý tưởng" và các phương trình lý tưởng-khí của nhà nước. • Áp dụng các phương trình lý tưởng-khí của nhà nước trong việc giải quyết các vấn đề điển hình. • Giới thiệu các yếu tố nén, chiếm các độ lệch của khí thực từ hành vi lý tưởng-gas. • Hiện nay một số của các phương trình nổi tiếng nhất của nhà nước. 3-1 ■ CHẤT PURE Một chất có thành phần hóa học cố định trong suốt được gọi là tinh khiết chất. Nước, nitơ, helium, và carbon dioxide, ví dụ, là tất cả các chất tinh khiết. Một chất tinh khiết không phải là của một nguyên tố hóa đơn hoặc hợp chất, tuy nhiên. Một hỗn hợp của các yếu tố hóa học và các hợp chất khác nhau cũng đủ điều kiện như là một chất tinh khiết miễn là hỗn hợp đồng nhất. Air, ví dụ, là một hỗn hợp của nhiều chất khí, nhưng nó thường được coi là một chất tinh khiết bởi vì nó có một chất hóa học đồng phục thành phần (Hình. 3-1). Tuy nhiên, một hỗn hợp của dầu và nước không phải là chất tinh khiết. Vì dầu là không hòa tan trong nước, nó sẽ thu thập trên đầu trang của các nước, tạo thành hai khu vực khác nhau về mặt hóa học. Hỗn hợp A của hai hay nhiều giai đoạn của một chất tinh khiết vẫn là một chất tinh khiết miễn là các thành phần hóa học của tất cả các giai đoạn là giống nhau (Hình. 3-2). Một hỗn hợp của đá và nước lỏng, ví dụ, là một chất tinh khiết vì cả hai giai đoạn có các thành phần hóa học tương tự. Một hỗn hợp của không khí lỏng và không khí, khí, tuy nhiên, không phải là chất tinh khiết từ các thành phần của không khí hóa lỏng là khác nhau từ các thành phần của không khí, khí, và do đó hỗn hợp không còn đồng nhất về mặt hóa học. Điều này là do các thành phần khác nhau trong không khí ngưng tụ ở nhiệt độ khác nhau tại một áp lực nhất định. 3-2 ■ GIAI ĐOẠN CỦA MỘT CHẤT PURE Chúng ta đều biết từ kinh nghiệm rằng những chất tồn tại trong các giai đoạn khác nhau. Tại nhiệt độ phòng và áp suất, đồng là chất rắn, thủy ngân là một chất lỏng, và nitơ là một chất khí. Dưới những điều kiện khác nhau, mỗi có thể xuất hiện trong một khác nhau pha. Mặc dù có ba giai đoạn chính-rắn, lỏng và khí-một chất có thể có một vài giai đoạn trong một giai đoạn chính, mỗi với một cấu trúc phân tử khác nhau. Carbon, ví dụ, có thể tồn tại như than chì hoặc kim cương trong chất rắn. Helium có hai pha lỏng; sắt có ba giai đoạn rắn. Ice có thể tồn tại bảy giai đoạn khác nhau ở áp suất cao. Một giai đoạn được xác định là có một sự sắp xếp phân tử riêng biệt mà là đồng nhất trong suốt và tách biệt nhau bởi các bề mặt ranh giới dễ nhận biết. Hai giai đoạn của H2O trong nước đá đại diện cho một ví dụ tốt về điều này. Khi nghiên cứu giai đoạn hoặc pha của nhiệt động lực học, người ta không cần phải quan tâm đến cấu trúc phân tử và hành vi khác nhau giai đoạn. Tuy nhiên, nó rất hữu ích để có một số hiểu biết về các hiện tượng phân tử liên quan trong từng giai đoạn, và một cuộc thảo luận ngắn gọn về giai đoạn chuyển đổi sau. Trái phiếu giữa các phân tử là mạnh nhất trong các chất rắn và yếu nhất trong các chất khí. Một lý do là những phân tử trong chất rắn được đóng gói chặt chẽ với nhau, trong khi đó các loại khí chúng được ngăn cách bởi khoảng cách tương đối lớn. Các phân tử trong chất rắn được sắp xếp trong một mô hình ba chiều (mạng) được lặp đi lặp lại trong suốt (Hình 3-3). . Bởi vì khoảng cách nhỏ giữa các phân tử trong chất rắn, các lực hấp dẫn của các phân tử trên mỗi khác là rất lớn và giữ các phân tử ở vị trí cố định (Hình 3-4).. Lưu ý rằng lực hút giữa các phân tử chuyển sang lực đẩy là khoảng cách giữa các phân tử tiếp cận zero, do đó ngăn ngừa các phân tử từ chất đống trên đầu trang của mỗi khác. Mặc dù các phân tử trong một chất rắn không thể di chuyển tương đối với nhau, họ liên tục dao động về vị trí cân bằng của họ. Vận tốc của các phân tử trong những dao động phụ thuộc vào nhiệt độ. Ở nhiệt độ đủ cao, các vận tốc (và do đó đà) của các phân tử có thể đạt đến một điểm nơi mà các lực lượng giữa các phân tử được khắc phục một phần và nhóm của các phân tử phá vỡ đi (Hình. 3-5). Đây là sự khởi đầu của quá trình nóng chảy. Khoảng cách giữa các phân tử trong pha lỏng là không có nhiều khác biệt so với các pha rắn, trừ các phân tử không còn ở vị trí cố định tương đối với nhau và họ có thể xoay và dịch tự do. Trong một chất lỏng, các lực giữa các yếu hơn so với các chất rắn, nhưng vẫn còn tương đối mạnh so với các loại khí. Khoảng cách giữa các phân tử thường trải qua một sự gia tăng nhẹ như một chất rắn hóa lỏng, với nước là một đáng chú ý là ngoại lệ. Trong giai đoạn khí, các phân tử ở xa nhau từ mỗi khác, và một trật tự phân tử là không tồn tại. Các phân tử khí chuyển về một cách ngẫu nhiên, liên tục va chạm với nhau và các bức tường của các container họ đang ở. Riêng ở mật độ thấp, các lực lượng giữa các phân tử rất nhỏ, và va chạm là chế độ duy nhất của sự tương tác giữa các phân tử. Các phân tử trong pha khí đang ở mức năng lượng cao hơn đáng kể hơn so với họ là trong pha lỏng hoặc rắn. Do đó, các khí phải phát hành một số lượng lớn của năng lượng trước khi nó có thể ngưng tụ hoặc đóng băng. 3-3 ■ QUY TRÌNH GIAI ĐOẠN-ĐỔI CHẤT PURE Có rất nhiều tình huống thực tế mà hai giai đoạn của một chất tinh khiết cùng tồn tại trong trạng thái cân bằng. Nước tồn tại như là một hỗn hợp của chất lỏng và hơi trong nồi hơi và bình ngưng của một nhà máy điện hơi nước. Các chất làm lạnh chuyển từ dạng lỏng thành hơi trong tủ đông lạnh của tủ lạnh. Mặc dù nhiều nhà chủ sở hữu xem xét sự đóng băng của nước trong ống ngầm là nhất