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. 18а) и постоянном давлении (p = idem, рис. 18б).

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. 18а). 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. 18б). 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: