Mistura de gás perfeita

De acordo com o teorema de Gibbs, uma mistura de gases ideais é uma solução ideal .

Equação de estado

De acordo com a lei de Dalton , em uma dada temperatura e volume , cada um dos constituintes de uma mistura de gases ideais se comporta como se estivesse sozinho. Em outras palavras, qualquer constituinte , representado na mistura por uma quantidade , se comporta como se estivesse à pressão , chamada de pressão parcial de , calculada de acordo com a lei dos gases ideais para uma substância pura:

A lei de Dalton induz que a pressão total da mistura de gases ideais é a soma das pressões parciais dos constituintes da mistura:

é :

Lei dos gases ideais para uma mistura:

com:

Ao observar a quantidade de matéria total da mistura de gases ideal e a fração molar do constituinte , temos:

de onde :

Quantidades extensas de uma mistura de gases ideais

Volume

Na pressão , temperatura e quantidades dos constituintes dados, o volume é dado pela lei dos gases ideais  :

Volume:

O volume molar parcial de cada componente é igual a:

Volume molar parcial:

Entropia, teorema de Gibbs

O teorema de Gibbs , baseado na lei de Dalton e na lei de Joule e Gay-Lussac , mostra que, para uma mistura de gases perfeita:

“A entropia de uma mistura ideal de gases ideais é igual à soma das entropias de seus constituintes supostamente separados, à temperatura da mistura e sob pressões iguais às pressões parciais que exercem na mistura. "

Este teorema é formalmente expresso da seguinte forma: em uma mistura de gases ideais, a entropia total da mistura de gases ideais à pressão e temperatura é calculada a partir das entropias molares parciais de cada um de seus constituintes , representadas pelas quantidades e frações molares , de acordo com:

Teorema de Gibbs:

Da relação de Mayer para um gás ideal puro, introduzindo a capacidade térmica isocórica molar , temos a relação:

de onde :

considerando e  :

de onde :

Entropia molar parcial:

com:

De acordo com o teorema de Euler sobre funções homogêneas de primeira ordem , a entropia total de uma mistura de gases ideal de componentes é:

Entropia:

com a entropia molar da mistura:

Se denotarmos a entropia molar do constituinte puro em e  :

dado isso , temos a relação:

é :

O último termo é chamado de entropia molar de mistura , observado  :

Entropia molar de mistura:

Dado isso para qualquer constituinte , então . A operação de mistura de gases ideais e constantes cria entropia. Para calcular a entropia de uma mistura de gases ideais em e , não basta adicionar as entropias dos constituintes puros a e , é necessário adicionar uma entropia de mistura .

Quando várias quantidades do mesmo gás são misturadas, no entanto, deve-se prestar atenção ao paradoxo de Gibbs .

Entalpia

Ao provar o teorema de Gibbs, também é mostrado que a entalpia molar parcial de um constituinte da mistura é igual à entalpia molar desse constituinte puro na mesma temperatura ( é, portanto, independente da pressão, como ):

Entalpia molar parcial:

com:

De acordo com o teorema de Euler sobre funções homogêneas de primeira ordem , a entalpia total de uma mistura gasosa ideal de componentes é:

Entalpia:

com a entalpia molar da mistura:

Capacidade de calor isobárico

Por definição de capacidade de calor isobárico , podemos definir:

e uma vez que é uma quantidade extensa  :

A entalpia total da mistura de gás ideal é escrita:

Uma vez que são constantes e os gases puros ideais dependem apenas de , deduzimos que:

de onde :

Capacidade de calor isobárico molar parcial:

e:

Capacidade de calor isobárico:

Entalpia livre, solução ideal

Por definição de entalpia livre  :

portanto, para a entalpia livre molar parcial do constituinte  :

Entalpia livre molar parcial:

com:

Alguns bancos de dados fornecem e , outros e . sendo a entalpia livre molar do componente de gás puro perfeito em e , com a relação , os dois últimos termos da expressão acima tornam-se:

Se denotarmos a entalpia livre molar do componente puro em e  :

dado isso , temos a relação:

Uma vez que também temos as seguintes relações com potenciais químicos  :

, potencial químico do constituinte como uma mistura de gases ideais; , potencial químico do componente de gás puro ideal;

temos a relação que define uma solução ideal  :

Uma mistura de gases ideal é uma solução ideal .

De acordo com o teorema de Euler sobre funções homogêneas de primeira ordem , a entalpia livre total de uma mistura de gases ideal de componentes é:

Entalpia livre:

com a entalpia livre molar da mistura:

Energia interna

Por definição da entalpia em comparação com a energia interna  :

portanto, para a energia interna molar parcial do constituinte  :

Para um constituinte de gás puro e perfeito, podemos escrever para e  :

volume molar

de onde :

Da relação de Mayer para um gás ideal puro, introduzindo a capacidade térmica isocórica molar , temos a relação:

de onde :

Energia interna molar parcial:

com:

De acordo com o teorema de Euler sobre funções homogêneas de primeira ordem , a energia interna total de uma mistura de gases ideal de componentes é:

Energia interna:

com a energia molar interna da mistura:

Capacidade de calor isocórico

Por definição de capacidade térmica isocórica , podemos definir:

e uma vez que é uma quantidade extensa  :

A energia interna total da mistura de gás ideal é escrita:

Uma vez que são constantes e os gases puros ideais dependem apenas de , deduzimos que:

de onde :

Capacidade de calor isocórico molar parcial:

e:

Capacidade de calor isocórico:

Energia livre

Por definição de energia livre  :

portanto, para a energia livre molar parcial do constituinte  :

Energia livre molar parcial:

com:

Também é possível definir a energia livre molar do componente de gás puro perfeito em e . Com a relação , os dois últimos termos da expressão acima tornam-se:

De acordo com o teorema de Euler sobre funções homogêneas de primeira ordem , a energia livre total de uma mistura de gases ideal de componentes é:

Energia livre:

com a energia livre molar da mistura:

Relacionamento de Mayer

A relação de Mayer para um gás ideal puro dá:

pesando por frações molares e somando todos os constituintes da mistura:

uma vez que temos as seguintes relações:

com , temos para a mistura de gás ideal:

Relacionamento de Mayer:

Expansão de uma mistura de gás ideal

Primeira lei de Joule

A energia interna de uma mistura de gases ideais é:

entretanto, os gases puros ideais dependem apenas da temperatura e, portanto, dependem apenas da temperatura. Uma mistura de gases ideais, portanto, responde à lei de Joule e Gay-Lussac , ou primeira lei de Joule . Isso pode ser demonstrado experimentalmente pelo relaxamento de Joule-Gay-Lussac .

Lei de Joule e Gay-Lussac: a energia interna de uma mistura de gases ideais depende apenas da temperatura.

Podemos escrever o diferencial da energia interna de uma mistura de gases ideais, com composição constante:

Segunda lei de Joule

A entalpia de uma mistura de gases ideais é:

entretanto, os gases puros ideais dependem apenas da temperatura e, portanto, dependem apenas da temperatura. Uma mistura de gases ideais, portanto, responde à lei de Joule-Thomson , ou segunda lei de Joule . Isso pode ser demonstrado experimentalmente pelo relaxamento de Joule-Thomson .

Lei de Joule e Thomson: a entalpia de uma mistura de gases ideais depende apenas da temperatura.

Podemos escrever o diferencial de entalpia de uma mistura de gases ideais, em composição constante:

Lei de laplace

Durante uma transformação isentrópica , a mistura de gás ideal se comporta como um gás puro ideal. A transformação sendo isentrópica, ou seja, os diferenciais de energia livre e entalpia são escritos respectivamente:

daí os relacionamentos:

Definimos o coeficiente de Laplace que depende apenas da temperatura e da composição. Integra-se entre um estado inicial e um estado final , considerando que o coeficiente de Laplace é constante durante a transformação, apesar da mudança de temperatura:

Obtemos a lei de Laplace  :

Lei de Laplace:

com o coeficiente de Laplace da mistura:

Se observarmos o coeficiente de Laplace de cada um dos constituintes da mistura considerada pura e a fração molar do constituinte , notaremos que  :

Bibliografia

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">