Смеси жидкостей, паров и газов

Общие соотношения

Термодинамическая система – объект исследования термодинамики, может представлять собой смесь химически не взаимодействующих между собой чистых веществ. Предполагается также, что структура отдельных компонентов смеси в процессе смесеобразования и стабилизации смеси не изменяется.

Из закона сохранения материи следует, что масса смеси G равна сумме масс составляющих ее компонентов G_i

,(196)

а число киломолей смеси равно сумме числа киломолей всех компонентов смеси

, (197)

где – число компонентов в смеси.

Одной из важнейших характеристик смеси является ее состав. Он задается массовыми или молярными концентрациями (долями) компонентов.

Массовой концентрацией или массовой долей m_i называется отношение массы компонента к массе всей смеси

. (198)

Молярной концентрацией или молярной долей i -го компонента называется отношение количества киломолей этого компонента к общему числу киломолей смеси

. (199)

Очевидно, что для термодинамических смесей справедливы следующие соотношения:

, . (200)

Средняя (кажущаяся) молярная масса смеси равна отношению массы смеси к количеству киломолей смеси и может быть определена из следующих соотношений:

= = = ; (201)

= = = = . (202)

Зависимость между массовой и молярной концентрациями устанавливается соотношением

= = (203)

или

. (204)

Газовая постоянная смеси может быть вычислена по следующему выражению:

= = , (205)

где =8314 Дж/(кмоль К) – универсальная газовая постоянная, R_i – характеристическая газовая постоянная компонента смеси.

Для жидких, твердых и газообразных смесей часто используется и понятие объемной концентрации компонентов. Объемной концентрацией i -го компонента называется отношение объема данного компонента V_i к объему всей смеси V

. (206)

Схемы смешения

При образовании смесей на практике встречаются две основные схемы смешения: при постоянном объеме (V = idem, рис. 18 а) и постоянном давлении (p = idem, рис. 18 б).

Рис. 18. Схемы смешения при постоянном объеме (а)

и при постоянном давлении (б)

При расчете и анализе схемы смешения при постоянном объеме рассматривается система, включающая ряд резервуаров, соединенных трубопроводами с установленными на них кранами (рис. 18 а). В каждом резервуаре
объемом V_i находится один компонент с известными исходными
параметрами (G_i, , , T_i). После открытия кранов во всех резервуарах происходит выравнивание давления p_m, а затем температуры T_m и концентрации компонентов (m_i, r_i) – система переходит в состояние термодинамического равновесия. Во всех стадиях процесса смешения полный объем системы сохраняет неизменную величину V = .

В процессе смешения по схеме с постоянным объемом теплота извне не подводится () и внешняя работа не совершается () и, следовательно, исходя из первого начала термодинамики по внешнему балансу (35), получаем, что этот процесс смешения идет без изменения внутренней энергии

(). (207)

Смесеобразование при постоянном давлении происходит в трубопроводах (рис. 18 б). К общему трубопроводу отдельными потоками подводятся компоненты. Для каждого компонента известны: массовый расход G_i, молярная масса m _i, давление p_i и температура T_i. Смесеобразование в трубопроводе возможно лишь в случае, когда давление каждого компонента p_i больше среднего давления смеси в трубопроводе . При прохождении запорного устройства давление компонента уменьшается до среднего давления смеси – отсюда наименование схемы ().

Заключительные стадии процесса смешения при – выравнивание температур, концентраций компонентов в смеси (диффузионные процессы) и переход системы в состояние термодинамического равновесия.

В процессе смешения при теплота извне не подводится () и внешняя работа не совершается () и, следовательно, исходя из первого начала термодинамики по внешнему балансу для потока (81), получаем, что этот процесс смешения идет без изменения энтальпии

(). (208)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: