理想氣體混合的熱力性質 - 人生紀錄本 - udn部落格
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作家:宋坤祐
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    理想氣體混合的熱力性質
    2020/09/11 14:32:53
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    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=ᴘ₀RTdlnP, 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+n+n+....=n=∑nᵢ, Xᵢ= nᵢ/n, i=a,b,c,....molar fraction

    partial pressure pₐ, p, p.... pᵢ=XP

    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,n...dnʲ+....=-SdT+VdP+(∂G∕∂nʲ)ᴛ,ᴘ,ₒₘₚdnᵢ

    =-SdT+VdP+μᵢdnᵢ 限制條件,ᴘ,nʲ...G Q相同

    dU=TdS-PdV+(∂U∕∂nʲ)S,ᴠ,ₒₘₚdnᵢ, (∂U∕∂nʲ)S,ᴠ,ₒₘₚUᵢ=(∂U∕∂nᵢ)ᴛ,ᴘ,nʲ...

    dH=TdS+VdP+(∂H∕∂nʲ)S,ᴘ,ₒₘₚdnᵢ, (∂H∕∂nʲ)S,ᴘ,ₒₘₚHᵢ=(∂H∕∂nᵢ)ᴛ,ᴘ,nʲ...

    dA=-SdT-PdV+(∂A∕∂nʲ)ᴛ,ᴠ,ₒₘₚdnᵢ, (∂A∕∂nʲ)ᴛ,ᴠ,ₒₘₚAᵢ=(∂A∕∂nᵢ)ᴛ,ᴘ,nʲ..

    3. pure gas (G∕∂P)=V

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

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

    =(∂Gᵢ∕∂P)ᴛ,ₒₘₚ... (∂Gᵢ∕∂P)ᴛ,n,nʲ...= V

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

    Pure gas: dG=RTdlnP G=G⁰+RTlnP vs. Gas mixture: dG=RTdlnp G=G⁰+RTlnp

    V=(∂Gᵢ∕∂P)ᴛ,ₒₘₚ... → ∫ᴳͥdG=pVdP=p(XᵢRT/p)∙(dpᵢ/Xᵢ)=∫p RTdlnp

    Gᵢ-G⁰=RT(lnpᵢ-lnPᵢ)

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

    Gᵢ=Gᵢ-G⁰=RTlnp choose Pᵢ=1 atm, Gₘᵢₓ=∑(nᵢGᵢ+nʲGʲ+...)

    i=a,b,c... 混合前G=Gₐ⁰+RTlnPₐ → Gᵢ=G⁰+RTlnPᵢ(通式)

    混合G=Gₐ⁰+RTlnpₐ → Gᵢ=G⁰+RTlnpᵢ(通式)

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

    Gₘᵢₓ=nₐ∆Gₐ+nG+nG+...=∑nᵢGᵢ ⸫Gₘᵢₓ=RTnᵢlnXᵢ or Gₘᵢₓ=RT∑XlnXᵢ<0 ⸪Xᵢ<1

    Hₘᵢₓ=∑nᵢHᵢ=nᵢ(Hᵢ-H)

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

    Gᵢ=G⁰+RTlnp Gᵢ/T=G⁰/T+Rlnp [∂(G/T)∕∂T]ₚ=[∂(Gᵢ⁰/T)∕∂T]ₚ+[∂(Rlnp)∕∂T]ₚ i.e.pᵢ=XᵢP

    -H/T²=-Hᵢ⁰/T² Hᵢ=Hᵢ⁰, 同理 Hᵢ=Hᵢ⁰ ⸫ Hᵢ-Hᵢ=0, Hₘᵢₓ=0

    Gₘᵢₓ=∆Hₘᵢₓ-TSₘᵢₓ at fixed T, Sₘᵢₓ=-∆Gₘᵢₓ/T=-R∑nlnXᵢ or Sₘᵢₓ=- R∑XlnXᵢ>0

    Vₘᵢₓ=∑nᵢVᵢ=nᵢ(Vᵢ-V)=0

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

    Uₘᵢₓ=? Hₘᵢₓ=∆Uₘᵢₓ+PVₘᵢₓ ∆Uₘᵢₓ=0

    conclusion: one mole ∑Xᵢ=1

    Gₘᵢₓ=RT∑XlnXᵢ, ∆Sₘᵢₓ=- R∑XlnXᵢ, ∆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 fP

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

    G=G⁰+RTlnfᵢ let fᵢ⁰=1 atm, Gᵢ=Gᵢ-G⁰=RTlnfᵢ, Gₘᵢₓ=RT∑Xln(fᵢ/f)

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