Miscelazione di gas. Miscelazione di gas

Sorge spontanea una domanda: quali equazioni descrivono miscele di gas ideali? Dopotutto, raramente incontriamo gas puri in natura. Ad esempio, il nostro habitat naturale, l'aria, è costituito da azoto N2 (78,08 % ), ossigeno O2 (20,95 % ), gas inerti ( 0,94 % ), diossido di carbonio CO2 (0,03 % ).

Lasciamo che in una certa misura V ad una certa temperatura T contiene una miscela di gas (che numereremo
indice io). Caratterizzeremo il ruolo di ciascun componente della miscela frazione di massa:

Dove io- peso io componente. Il nostro compito - scrivere un'equazione simile all'equazione di Clapeyron - Mendeleev, e comprendere il numero effettivo di gradi di libertà di una miscela, che può contenere sia molecole monoatomiche che poliatomiche.

Innanzitutto ricordiamo che stiamo considerando i gas ideali. Le molecole non interagiscono tra loro, e quindi ogni componente non interferisce con nessun altro “vivente” nello stesso vaso comune. Vari gas in una nave, a causa della loro presunta idealità, semplicemente "non si notano" l'un l'altro. Pertanto per ciascuna delle componenti vale la stessa equazione di Clapeyron - Mendeleev:

Dove no io - numero di moli di sostanza contenute io-esimo componente. Numero completo N le moli in una miscela sono pari alla somma del numero delle moli no io in ciascuno dei componenti:

Allo stesso modo, la massa totale della miscela è uguale alla somma delle masse di ciascuno dei componenti

ed è naturale determinarlo massa molare miscele M Come massa di una mole di miscela:

Introduciamo una quantità chiamata pressione parziale.

Si verifica La legge di Dalton per la miscela di gas:

La pressione totale della miscela di gas è uguale alla somma di tutte le pressioni parziali

Sommando i lati sinistro e destro della (1.21), arriviamo alla forma standard dell'equazione di Clapeyron-Mendeleev

Dove M,μ, n sono determinati dalle condizioni di un compito specifico. Ad esempio, se vengono fornite le frazioni di massa dei componenti, dalla relazione si ricava la massa molare della miscela

Energia interna U io io il componente della miscela viene determinato secondo le formule (1.16) e (1.19):

Da un lato, l'energia interna totale della miscela è pari alla somma delle energie di ciascun componente:

13.7. Trasformatori termici

Spesso per realizzare un processo tecnologico è necessario mantenere una certa temperatura.

Il metodo più semplice per tale supporto è bruciare carburante e trasferire il calore dai prodotti caldi della combustione direttamente al consumatore o a un refrigerante intermedio. In questo caso lo scambio termico avviene naturalmente da una fonte calda con una certa temperatura T 1 più freddo con temperatura T 2. Con questo metodo è impossibile trasferire una quantità di calore maggiore di quella ottenuta durante la combustione del carburante (e, a causa delle perdite, è significativamente inferiore).

Tuttavia, è fondamentalmente possibile, avendo una certa quantità di calore Q" ad alta temperatura T 1, ottieni più calore a una temperatura più bassa senza il costo del lavoro T 2. Per fare ciò è sufficiente effettuare un ciclo di Carnot diretto reversibile tra una sorgente ad alta temperatura e ambiente con la temperatura T Con, per effetto del quale si otterrà il lavoro (vedi (7.7)):

Avendo trascorso questo lavoro in un ciclo di Carnot reversibile inverso tra un mezzo con temperatura T Con e consumatore con la temperatura T 2, trasferiremo a quest'ultimo una quantità di calore pari a

Sostituendo il valore del lavoro in questa espressione l Con dall'espressione precedente si ottiene:

dove si chiama il coefficiente di proporzionalità ψ 1.2 coefficiente di conversione del calore sulla temperatura T 1 alla temperatura T 2 .

Pertanto, avendo ricevuto Q" quantità di calore proveniente da una sorgente con temperatura T 1, può essere trasmesso al corpo con la febbre T 2 quantità di calore ψ 1,2 Q" .

Perché T 2 T 1 , quindi Q" >Q" .

Ad esempio, lasciamo T 1 = 1000°C, T 2 = 50°C, T Con = 0 o C. Coefficiente . Pertanto, per ottenere, ad esempio, 5 J di calore ad una temperatura di 50 o C, solo 1 J di calore dovrebbe essere speso a 1000 o C, mentre in un impianto di riscaldamento convenzionale, 1 J di calore ad alta temperatura diventa nella stessa quantità di calore a bassa temperatura.

Di conseguenza, dal punto di vista termodinamico, un impianto di riscaldamento è 5 volte meno economico di un impianto di conversione del calore reversibile.

Viene chiamato un dispositivo che consente cicli diretti e inversi di trasferimento di calore da una fonte con una temperatura a un consumatore con una temperatura diversa termotrasformatore.

Se la temperatura richiesta è inferiore a quella iniziale, viene chiamato il termotrasformatore verso il basso.

È necessario un aiuto per mantenere una temperatura più elevata rispetto alla temperatura iniziale crescente termotrasformatore, per il quale, poiché T 2 > T 1 .

Riso. 13.7fig. 13.8

Il termotrasformatore è una combinazione di un motore termico e una pompa di calore.

Nella fig. 13.7 mostra uno schema di un trasformatore termico step-down e la Fig. 13.8 è il suo ciclo teorico.

Nella fig. 13.9 mostra uno schema di un trasformatore termico elevatore e Fig. 13.10 – il suo ciclo teorico.

Nelle foto: I – motore termico, II – pompa di calore.

Se un trasformatore termico è progettato per mantenere temperature sia inferiori che superiori a quella originale, allora viene chiamato termotrasformatore di tipo misto.

Riso. 13.9fig. 13.10

Domande di controllo

Come viene eseguito il ciclo di Carnot inverso?

Quale parametro valuta l'efficienza termodinamica di un impianto a pompa di calore?

Qual è la differenza tra gli schemi elettrici delle pompe di calore e delle unità di refrigerazione?

14. Miscelazione di gas e vapori

In vari dispositivi abbiamo spesso a che fare con la miscelazione di vari gas, vapori o liquidi. In questo caso è necessario determinare i parametri dello stato della miscela utilizzando i parametri noti dello stato dei componenti che compongono questa miscela.

La soluzione a questo problema dipende dalle condizioni in cui avviene questo processo di miscelazione. Tutti i metodi per formare miscele possono essere suddivisi in tre gruppi:

miscelazione di gas a volume costante,

miscelazione dei flussi di gas,

miscelazione dei gas durante il riempimento del serbatoio.

14.1. Processo di miscelazione a volume costante

Questo metodo per formare una miscela è costituito da diversi gas con pressioni R 1 , R 2 , …, R N, temperature T 1 , T 2 , …, T N e le masse G 1 , G 2 , …, G N occupano volumi diversi V 1 , V 2 , …, V N(Fig. 14.1).

Se rimuovi le partizioni di separazione tra i gas, si verificherà una miscela di gas e il volume della miscela

V = V 1 + V 2 + …+ V N ,

e la massa della miscela

G = G 1 + G 2 + …+ G N .

Quando viene stabilito uno stato di equilibrio, i parametri della miscela saranno R, v, T, tu.

Poiché il processo è adiabatico e il volume non è cambiato, allora, secondo la prima legge della termodinamica, l'energia interna del sistema si conserva:

U = U 1 +U 2 + …+ U N O Gu = G 1 tu 1 +G 2 tu 2 + … + G N tu N .

Da qui si determina l’energia interna specifica della miscela come segue:

, (14.1)

Dove G io– frazione di massa io th gas.

E il volume specifico, per sua definizione, è uguale a

. (14.2)

Altri parametri ( R, T) per gas, vapori e liquidi reali si trovano dai diagrammi per queste sostanze.

Nel caso particolare in cui vengono miscelati gas ideali con capacità termica costante, per cui du= C v dT, noi abbiamo

Nel caso in cui si miscelano porzioni dello stesso gas, la temperatura della miscela si calcola utilizzando una formula più semplice:

.

La pressione del gas dopo la miscelazione è determinata dall'equazione Clayperon-Mendeleev

Dove R– costante dei gas della miscela (definita al paragrafo 1.4).

14.2. Processo di miscelazione del flusso

In questo caso, la miscelazione dei gas avviene a seguito della connessione di più flussi in un canale.

Lascia che passi attraverso il gasdotto 1 (Fig. 14.2) il gas con parametri entra nella camera di miscelazione P 1 , v 1 , T 1 , H 1, e attraverso il gasdotto 2 – gas con parametri P 2 , v 2 , T 2 , H 2 .

Flusso di gas attraverso la pipeline 1 equivale G 1, tramite gasdotto 2 – G 2. All'ingresso della camera di miscelazione, questi flussi di gas vengono strozzati in modo da ridurre la pressione nella camera R era inferiore a R 1 e R 2 (se, ad esempio, R > R 1, il gas dalla camera di miscelazione precipiterebbe nella tubazione 1 ).

Va sottolineato che la pressione R nella camera di miscelazione può essere selezionato diversamente (regolando le valvole); Ciò rende il processo di miscelazione in un flusso significativamente diverso dalla miscelazione a volume costante, dove la pressione è determinata unicamente dai parametri dei gas da miscelare.

Gas dalla camera di miscelazione con parametri R,v, T scaricato tramite tubazione 3 . Flusso di gas nella pipeline 3 , ovviamente pari G = G 1 + G 2 .

Poiché il gas si muove nelle condotte, oltre all'energia interna possiede (nel suo insieme) anche energia cinetica e potenziale. Per semplicità (per la maggior parte dei problemi tecnici è giustificato), lo assumeremo

le condotte sono disposte orizzontalmente, quindi la variazione di energia potenziale può essere trascurata;

le velocità di movimento del gas sono relativamente basse, vale a dire Trascureremo anche la variazione di energia cinetica.

Quindi, secondo la prima legge del flusso adiabatico (9.3), nelle condizioni di cui sopra abbiamo

Da qui si ottiene un'espressione per l'entalpia specifica della miscela ottenuta a seguito della miscelazione nel flusso:

. (14.3)

Conoscere l'entalpia specifica H e pressione R gas dopo la miscelazione, utilizzando i diagrammi di stato è possibile trovare i restanti parametri della miscela ( T, v, S e così via.).

Per i gas ideali, sostituendo l'entalpia specifica con l'espressione Con R T, noi abbiamo

. (14.4)

Nel caso di miscelazione di due flussi dello stesso gas la formula per la temperatura della miscela è semplificata:

. (14.5)

Conoscendo la temperatura determinata in questo modo T, dall'equazione di stato del gas ideale si ricava il volume specifico:

Le formule (14.3)–(14.5) sono scritte in modo simile per un numero arbitrario di flussi di gas miscibili.

14.3. Miscelazione durante il riempimento del volume

Lascia entrare il serbatoio 1 (Fig. 14.3) volume V c'è un gas (vapore, liquido) con una massa G 1 con parametri R 1 , T 1 . Questo serbatoio viene fornito tramite una tubazione. 2 gas con parametri R 2 , v 2 , T 2 (ovviamente R 2 > R 1) e massa G 2, dopodiché la valvola si chiude. Una miscela di gas con un volume di V e massa G = G 1 + G 2. È necessario determinare i parametri della miscela risultante.

Durante il processo di riempimento viene eseguito un lavoro di spinta sul gas nella tubazione 2 , uguale – P 2 v 2 G 2; nel serbatoio non avviene lavoro perché il volume del serbatoio è costante.

In un processo adiabatico, il lavoro viene compiuto a causa di una variazione di energia interna (come prima, trascuriamo l'energia cinetica del gas in afflusso a causa della bassa velocità del flusso):

Quindi l'energia interna specifica della miscela nel recipiente è uguale a

Il volume specifico della miscela è per definizione pari a v = V/ G.

Conoscere tu E v, utilizzando i diagrammi, trova i restanti parametri della miscela ( R, T, S, H).

Nel caso di miscelazione dello stesso gas ideale con capacità termiche costanti

Dove K– indice adiabatico.

La pressione nel serbatoio dopo la miscelazione è

Vengono miscelate due porzioni d'aria e la massa del primo componente è di 10 kg e la sua temperatura è di 400 o C, mentre la massa del secondo componente è di 90 kg e la temperatura è di 100 o C. Determinare la temperatura dell'aria miscela per diversi metodi di miscelazione.

Soluzione: la temperatura della miscela risultante da un processo di miscelazione a volume costante o da un processo di miscelazione a flusso di gas sarà determinata dalla formula T = G 1 T 1 +G 2 T 2. E nel nostro esempio è uguale a T= 0,1 ∙ 400 + 0,9 ∙ 100 = 130 oC.

Se la miscela si ottiene riempiendo un volume in cui si trova già il primo gas, la sua temperatura assoluta viene calcolata con la formula T = G 1 T 1 +kg 2 T 2. Nell'esempio in esame l'indice adiabatico dell'aria K= 1,4, e la temperatura della miscela è T= 0,1 (400 +273) +1,4 ∙ 0,9 ∙ (100 +273) – 273 = 264 oC.

14.4. Variazione di entropia durante la miscelazione

L'entropia di una miscela è la somma delle entropie dei componenti di questa miscela, cioè

o in quantità specifiche

Poiché il processo di miscelazione è un processo irreversibile, l'entropia del sistema termodinamico (tutte le sostanze che partecipano alla miscelazione adiabatica), secondo la seconda legge della termodinamica, aumenterà in questo processo, ad es.

L'irreversibilità del processo di miscelazione è spiegata dalla diffusione dei componenti di miscelazione che accompagna questo processo. L'aumento di entropia durante il processo di miscelazione è una misura di questa irreversibilità.

Domande di controllo

Quali sono i principali metodi di miscelazione?

In che modo viene specificata la miscela?

Come determinare la temperatura di una miscela per diversi metodi di miscelazione?

Come si spiega che durante la miscelazione adiabatica di gas o vapori l'entropia della miscela aumenta?

15. Fondamenti di termodinamica chimica

Un sistema eterogeneo è determinato dalla composizione dei suoi componenti. In determinate condizioni, questa composizione può cambiare a causa delle trasformazioni chimiche e fisico-chimiche che si verificano nel sistema, durante le quali i vecchi legami vengono distrutti e ne nascono nuovi tra gli atomi. Questi processi sono accompagnati dal rilascio o dall'assorbimento di energia come risultato dell'azione delle forze di questi legami.

La termodinamica chimica considera l'applicazione del primo e del secondo principio della termodinamica ai fenomeni chimici e fisico-chimici.

15.1. Reazioni chimiche

Sostanza chimicaè un corpo macroscopico di una certa composizione chimica, cioè un corpo in relazione al quale è noto non solo di quali elementi chimici è costituito e in quale proporzione ( sostanza chimica individuale), ma si sa anche da quali composti di elementi chimici è formato ( miscela O soluzione).

Una sostanza chimica (composto) è solitamente caratterizzata da una formula chimica che mostra da quali elementi è composta e in quale rapporto gli atomi di questi elementi si combinano per formarla.

Vengono chiamati processi di interazione tra singole sostanze chimiche che portano alla formazione di nuove sostanze reazioni chimiche.

Qualsiasi reazione chimica può verificarsi sia in direzione diretta che inversa.

Nei sistemi chiusi, le reazioni chimiche avvengono in modo tale che la quantità totale di ciascun elemento chimico presente nel sistema non cambia. Per questo motivo le reazioni chimiche non coinvolgono quantità arbitrarie di sostanze, ma le loro quantità stechiometriche, cioè. quantità corrispondenti alle formule chimiche delle sostanze. Pertanto, le reazioni chimiche sono scritte sotto forma di uguaglianze tra le formule chimiche delle sostanze che partecipano alla reazione e le formule chimiche dei prodotti di questa reazione. Permettere UN 1 , UN 2 , …, UN N- materiali di partenza, e IN 1 , IN 2 , …, IN M– prodotti finali della reazione. Quindi la reazione chimica tra le sostanze UN 1 , UN 2 , …, UN N, portando alla formazione di sostanze IN 1 , IN 2 , …, IN M, sarà scritta come un'uguaglianza:

in cui α 1, α 2, … α N, β 1 , β 2 … β M– coefficienti stechiometrici. Ad esempio, a seguito della combustione del metano, si formano anidride carbonica e acqua:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O.

In chimica l'unità di quantità di una sostanza è 1 neo. Questa quantità contiene un numero rigorosamente definito di molecole (atomi) di una data sostanza, pari alla costante di Avogadro N UN= 6.02204∙10 23. In altre parole: 1 mole di una sostanza è definita come quella quantità di sostanza la cui massa in grammi è uguale alla sua massa molecolare (atomica) M.

La composizione di sistemi complessi formati da molte sostanze, la quantità di ciascuna delle quali è N io moli, in chimica è dato frazioni molari componente del sistema.

Lasciali mescolare N chimicamente non reattivo tra loro ideale gas Si presuppone che siano noti i parametri termodinamici iniziali dello stato di tutti i componenti prima della miscelazione e le condizioni di miscelazione (condizioni di interazione con l'ambiente). Ho bisogno di trovare equilibrio parametri dello stato dei gas dopo la miscelazione.

Consideriamo due casi di mescolamento, per semplicità assumendo che questo processo avvenga senza scambio termico con l’ambiente .

2.1. Miscelazione a W=Cost

In questo caso, le condizioni di miscelazione sono tali che il volume della miscela risultante W cm pari alla somma volumi iniziali dei componenti della miscela W H i:

(Da non confondere W H i con volumi parziali W i, discusso nel paragrafo 1.4.3.)

Indichiamo:

P H i– pressione iniziale io il gas;

T H i,t Ciao io– temperatura iniziale io-esimo gas rispettivamente a 0 A o 0 CON.

Perché l'intero sistema da N gas quando miscelati in condizioni W=Cost non esegue lavoro esterno, quindi in accordo con la prima legge della termodinamica per questo caso () possiamo scrivere:

Qui: U cm – energia interna di una miscela di gas pesante M cm chilogrammi

con la temperatura T0K;

U H i- Energia interna io esima massa di gas io e io chilogrammi

con la temperatura iniziale T H i .

Introduciamo la seguente notazione:

tu cm – energia interna specifica di una miscela di gas a temperatura T0K;

u Ciao io – specifica energia interna io-esimo gas con temperatura iniziale T H i .

Allora l’equazione (2.1.1) assume la seguente forma:

(2.1.2)

Come è noto, per un gas ideale du=C v dT, da dove, quando si conta l'energia interna da 00K si può scrivere:

Ecco: - media nella gamma 0 T0K capacità termica isocora di massa di una miscela di gas;

Nella media dell'intervallo 0 T H i 0 K capacità termica isocora di massa io th gas.

Dopo aver sostituito la (2.1.3) nella (2.1.2) otteniamo:

Ma secondo il paragrafo 1.4.10, la vera capacità termica di massa di una miscela di gas è espressa in termini di frazioni di massa dei componenti g i e le loro reali capacità termiche come segue:

Allo stesso modo, la media nell'intervallo 0 T0K La capacità termica isocora di massa di una miscela di gas è determinata come:

Sostituendo questa espressione nella parte sinistra dell'equazione (2.1.4) otteniamo:

da dove (2.1.5)

Perché dall'equazione di stato, quindi dopo la sostituzione io e io nell'equazione (2.1.5) otteniamo infine la formula per la temperatura della miscela N gas:

Come è noto, quindi, la formula (2.1.6) può essere scritta nella seguente forma:

(Va ricordato che il prodotto è la media nell'intervallo 0- T H i 0 Kmolare capacità termica isocora io th gas.)

Nella letteratura di riferimento, per l'intervallo vengono spesso fornite le dipendenze empiriche della capacità termica dalla temperatura 0 t0C .

Dopo aver sostituito (2.1.8) e (2.1.9) nell'equazione (2.1.2) otteniamo:

Sostituzione io e io suo valore, otteniamo finalmente la formula per la temperatura della miscela di gas in gradi Centigrado :

Esprimere R i attraverso la massa molecolare, otteniamo un'altra formula:

I denominatori delle formule (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) e (2.1.11) contengono capacità termiche medie, per le quali la temperatura della miscela viene utilizzata come limite superiore della media ( T O T), essere determinati. Per questo motivo, la temperatura della miscela è determinata da queste formule metodo delle approssimazioni successive .

2.1.1. Casi particolari di miscelazione del gas durante W=Cost

Consideriamo diversi casi speciali di formule (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) e (2.1.11).

1. Lascia che i gas siano miscelati, per cui la dipendenza dell'esponente adiabatico K io la temperatura può essere trascurata.

(Infatti A diminuisce con l'aumentare della temperatura, perché

Dove s o r , UN sono coefficienti empirici positivi.

Per i calcoli tecnici nell'intervallo da 0 a 2000 0 C, è possibile utilizzare le seguenti formule:

a) per i gas biatomici A 1,40 - 0,50 10 -4 T;

b) per i prodotti della combustione A 1,35 - 0,55 10 -4 T.

Da queste formule risulta evidente l'effetto della temperatura sull'indice adiabatico A diventa evidente solo a temperature dell'ordine di centinaia di gradi Celsius.)

Quindi, se lo assumiamo

allora la formula (2.1.6) assumerà la forma seguente:

La formula (2.1.12) può essere utilizzata in prima approssimazione per le formule (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) e (2.1.11)

2. Si mescolino gas le cui capacità termiche isocore molari siano uguali e si possa trascurare la dipendenza di queste capacità termiche dalla temperatura, cioè:

Quindi l’equazione (2.1.7) assume una forma molto semplice:

Se i gas hanno capacità termiche isocore molari uguali, allora secondo l’equazione di Mayer

Le capacità termiche isobariche molari devono essere uguali tra loro e, quindi, gli esponenti adiabatici devono essere uguali, cioè

In queste condizioni, l’equazione (2.1.12) diventa (2.1.13).

2.1.2. Pressione dopo la miscelazione dei gas a W=Cost

La pressione stabilita dopo la miscelazione dei gas può essere determinata mediante le formule del paragrafo 1.4.2 oppure dalla condizione:

R cm W cm= M cm R cm T= M cm T.

Capitolo 9. Informazioni generali sulla miscelazione dei gas.

Scopi e obiettivi del capitolo:

Scopri le norme di sicurezza antincendio quando lavori con l'ossigeno

Scopri le regole per maneggiare e lavorare con l'ossigeno

Scopri l'applicazione della "regola del 40%"

Scoprire vari sistemi per la miscelazione dei gas.

Nuovi termini in questo capitolo.

Triangolo infiammabile (pericoloso per l'incendio).

Grasso compatibile con l'ossigeno

Riscaldamento adiabatico (processo Diesel)

Pulizia dell'ossigeno

Regola del 40%.

Miscelazione pressioni parziali

Miscelazione a flusso costante

Assorbimento con pulizia periodica dell'assorbente

Separazione della membrana.

Come subacqueo che utilizza miscele arricchite nelle tue immersioni, devi essere in grado di ottenere tali miscele. Non è necessario che tu sappia come preparare il nitrox, tuttavia, dovresti capire come viene preparato ed essere consapevole dei requisiti di pulizia della tua attrezzatura imposti dal nitrox. In questo capitolo vengono esaminati alcuni dei metodi comunemente utilizzati per produrre miscele fortificate e ne vengono discussi i vantaggi e gli svantaggi. La miscela che respiri deve avere il contenuto di ossigeno appropriato.

1. Manipolazione e lavoro con l'ossigeno.

L’ossigeno è un gas straordinario. Può essere sia un amico che un nemico. Quando si miscelano i gas per l'uso subacqueo, l'operatore deve ottenere il contenuto di ossigeno appropriato nella miscela ad alta pressione. Questo può essere fatto mescolando ossigeno puro con azoto o aria oppure rimuovendo parte dell'azoto dall'aria. Il problema principale con la miscelazione di ossigeno ad alta pressione è il rischio di incendio. Tutto ciò che non è completamente ossidato, e questo significa praticamente tutto, brucia in ossigeno ad alta pressione se è presente una fonte di accensione. C'è qualche rischio quando si maneggiano le miscele, ma la manipolazione dell'ossigeno compresso puro comporta un rischio molto maggiore. Un subacqueo che utilizza miscele arricchite non ha bisogno di essere esperto nella gestione dell'ossigeno puro, ma dovrebbe avere una certa comprensione dei rischi associati all'utilizzo dell'ossigeno man mano che le attività del subacqueo diventano più complesse ed estese.

2. Triangolo infiammabile (pericoloso).

Per prevenire un incendio, è necessario sapere quali componenti causano e alimentano un incendio. Questi componenti sono mostrati in figura

sotto forma di un cosiddetto “triangolo infiammabile o pericoloso per l’incendio”. Il fuoco è una reazione chimica rapida tra combustibile e ossigeno (ossidante) che può verificarsi solo in presenza di una fonte di accensione (calore). L'ossidazione può avvenire senza combustione, come ad esempio durante il processo di ruggine. Il fuoco si verifica quando c'è una fonte di ignizione (calore). Dopo l'accensione durante reazione chimica la combustione rilascia energia (calore), che supporta l'ulteriore combustione. Se rimuoviamo uno dei componenti (carburante, ossigeno, fonte di accensione), non può verificarsi un incendio. Se, quindi, tutti e tre i componenti non sono presenti contemporaneamente, l'incendio sarà prevenuto. Se esiste già una fiamma, la rimozione di uno dei componenti provocherà lo spegnimento della fiamma. Queste sono le basi della teoria antincendio. Un altro punto importante è che il fuoco deve diffondersi per mantenere la sua esistenza. A volte il desiderio di diffondere il fuoco viene addirittura aggiunto come ulteriore componente del “triangolo” sopra descritto.

3.Ossigeno.

Nelle situazioni discusse di seguito, l'ossigeno è presente in concentrazioni maggiori della sua concentrazione nell'aria. Ciò significa che l'ossidante nel “triangolo infiammabile” è sempre presente per impostazione predefinita e non può essere rimosso da questa “formula del fuoco”. Tutti sanno che l'ossigeno atmosferico può partecipare attivamente alle reazioni di combustione in circostanze adeguate, quindi non dovrebbe sorprendere che concentrazioni più elevate possano solo aumentare il rischio. Inoltre è necessario ricordare che ad un aumento del contenuto di ossigeno nell'aria corrisponde un ridotto contenuto di gas inerte. Per questo ed altri motivi, l'intensità della combustione non dipende linearmente dalla percentuale di ossigeno. Dipende sia dalla percentuale (quota) di ossigeno nella miscela che dalla sua pressione parziale e aumenta significativamente all'aumentare di questi parametri.

4.Carburante.

In questo paragrafo parleremo del carburante disponibile nell'impianto a gas che prevede l'utilizzo del gas per la respirazione. A pressioni elevate di ossigeno, se si verifica un incendio, il sistema stesso può diventare il combustibile per una reazione chimica, ma per innescare un incendio è necessario qualcosa di più infiammabile. Potrebbe trattarsi di una parte separata del sistema, un solvente, un lubrificante o componenti morbidi del sistema (gomma, plastica).

Alcuni combustibili presenti negli impianti a gas possono essere praticamente non infiammabili in condizioni normali e altamente infiammabili in un ambiente arricchito di ossigeno. Questi tipi di carburante includono grasso siliconico, gomma siliconica, neoprene, lubrificanti per compressori, trucioli e bave di plastica e metallo, materia organica e materiali, polvere di vario tipo, anche grasso sul telaio. Forse i combustibili più pericolosi sono vari lubrificanti. Esiste un malinteso comune secondo cui il silicone (probabilmente a causa del nome esotico) è sicuro se usato con l'ossigeno. In realtà, questo non è vero. Esistono lubrificanti speciali compatibili con l'ossigeno, come Christo-lube, Krytox, Halocarbon. Sono proprio questi autolubrificanti che dovrebbero essere utilizzati in un ambiente arricchito di ossigeno.

5. Accensione.

Alcune fonti di accensione sono evidenti, tuttavia la maggior parte di esse si trova al di fuori del sistema del gas e non vengono da noi prese in considerazione. Le due principali fonti di ignizione all'interno di un sistema sono l'attrito e la compressione del gas mentre passa attraverso il sistema. Il termine "attrito" è qui usato in senso generale: nel senso della presenza di eventuali particelle nel flusso di gas o nel senso del movimento del flusso di gas stesso e della sua collisione con gli angoli dei gasdotti o altri ostacoli . Un altro fenomeno, lo stesso che provoca il surriscaldamento del cilindro, può provocare un incendio (se viene rilasciato abbastanza calore). Questo è lo stesso effetto che provoca l'accensione del carburante nei cilindri di un motore diesel senza candela. Questo effetto è chiamato "riscaldamento adiabatico (processo Diesel)".

L'improvvisa apertura e chiusura della valvola di una bombola durante la compressione del gas può causare un aumento della temperatura fino al punto di accensione e, se sono presenti contaminanti nel flusso di gas, l'accensione stessa. Pertanto, i compressori non utilizzano valvole di commutazione rapida (“valvole a sfera”).

6.Utilizzo di sistemi ad ossigeno.

Il messaggio importante di questo capitolo è che il rischio derivante dalla manipolazione dell'ossigeno può essere ridotto al minimo seguendo alcune regole nella progettazione e nella gestione dei sistemi. In particolare, è importante evitare angoli acuti e valvole a cambio rapido e utilizzare materiali appropriati. I metalli utilizzati per realizzare sistemi ad aria sono adatti anche per realizzare sistemi ad ossigeno. Per quanto riguarda i “componenti morbidi”, come guarnizioni, giunti flessibili, diaframmi, devono essere sostituiti con altri compatibili con l'ossigeno. In alcuni casi il criterio principale è la minore infiammabilità dell'ossigeno, ma nella maggior parte dei casi è una maggiore resistenza all'ossigeno ad alta pressione. Sono disponibili kit speciali che permettono di convertire apparecchiature ad aria in apparecchiature per l'utilizzo del nitrox.

Questi includono la corretta pulizia e manutenzione delle apparecchiature, l'uso di lubrificanti appropriati, la gestione dei gas in modo da non provocare l'accensione e l'apertura delle valvole lentamente e senza intoppi.

7.Attrezzature per la pulizia da utilizzare con ossigeno. Alcune considerazioni sulla pulizia delle attrezzature.

Il concetto di “pulizia dell’ossigeno” causa una certa confusione tra i subacquei dilettanti. Il motivo è che non è del tutto chiaro se le apparecchiature debbano essere pulite per essere utilizzate con miscele contenenti dal 21% al 40% di ossigeno. Questo problema ha radici più profonde: non esistono procedure industriali sviluppate e standardizzate per la manipolazione di miscele contenenti una quantità intermedia di ossigeno compresa tra il 21% (aria) e il 100% (ossigeno puro). Esistono standard solo per la manipolazione dell'ossigeno puro; Pertanto, qualsiasi miscela contenente più del 21% di ossigeno è equivalente all'ossigeno puro secondo gli standard attuali. Pertanto, per eseguire tutte le operazioni in conformità con gli standard del settore, qualsiasi miscela arricchita deve essere trattata come ossigeno puro.

Associazione per gas compressi CGA, NFPA, NASA e molte altre organizzazioni raccomandano di trattare i gas con concentrazioni intermedie come ossigeno puro. Ciò non significa che siano stati condotti studi in questo intervallo di concentrazioni. Ciò significa solo che non esistono standard sviluppati e accettati a livello industriale e che queste organizzazioni preferiscono assumere una posizione conservatrice. D'altro canto, la Marina americana ha sviluppato procedure secondo le quali le miscele con una concentrazione di ossigeno fino al 40% possono essere trattate come aria per scopi di movimentazione. Non sono stati pubblicati risultati di test che suggeriscano che questa conclusione sia vera, tuttavia questo approccio è stato praticato per molti anni e non sono stati segnalati incidenti legati a questo problema. La NOAA ha adottato questo limite di concentrazione quando si lavora con miscele fortificate; Anche NAUI in generale, tuttavia, con alcune restrizioni.

Aria compressa pulita.

Un'altra confusione sorge in relazione al concetto di “purezza dell'aria”. I diversi "gradi" di purezza del gas respirabile utilizzati da varie associazioni e organizzazioni (CGA, US Navy) creano confusione quando si tratta della purezza della miscela arricchita. Gli standard consentono la presenza di vapori d'olio (idrocarburi) nell'aria compressa (solitamente 5 mg/m3). Questa quantità è sicura dal punto di vista della respirazione, ma può essere pericolosa dal punto di vista del fuoco quando si lavora con ossigeno compresso.

Pertanto, non esistono gradazioni di purezza dell’aria generalmente accettate e concordate che ne determinino l’idoneità alla miscelazione con ossigeno puro. Gli enti che regolano gli standard di settore hanno concordato che i livelli di idrocarburi sono dell'ordine di 0,1 mg/m3. m può essere considerato accettabile per l'aria, che "deve essere ulteriormente miscelata con l'ossigeno". Negli ultimi anni sono diventati disponibili sistemi di filtraggio (nella foto) per produrre aria compressa che soddisfa questi requisiti. I compressori che impediscono all'aria di entrare in contatto con il lubrificante, ovviamente, affrontano meglio questo compito, ma sono significativamente più costosi. Un approccio formale alla pulizia dell'ossigeno.

La frase "pulizia con ossigeno" suona spaventosa anche perché la sua implementazione industriale richiede il rispetto di procedure abbastanza rigorose. Queste procedure periodiche sono pubblicate dalla CGA e da altre organizzazioni. Sono progettati per mantenere la sicurezza quando si lavora con ossigeno compresso.

NAUI afferma che qualsiasi attrezzatura destinata all'uso con ossigeno puro o con miscele contenenti più del 40% di ossigeno a pressioni superiori a 200 psi (circa 13 atm) deve essere compatibile con l'ossigeno e purificata per l'uso con ossigeno. La bombola, il primo stadio dell'erogatore e tutte le fruste devono essere pulite. Alcune apparecchiature possono essere convertite per gestire tali miscele utilizzando componenti di kit speciali.

8. Approccio informale alla pulizia con ossigeno: “regola del 40%”

Nonostante la mancanza di test formali, la cosiddetta “regola del 40%” è stata utilizzata con successo nel settore della subacquea e la sua applicazione non ha rivelato alcun problema. Si sono verificati numerosi incendi nei sistemi di miscelazione dei gas delle immersioni, ma sono stati causati da concentrazioni di ossigeno più elevate.

NAUI accetta questa regola ma richiede che l'attrezzatura venga pulita con ossigeno e che vengano utilizzati lubrificanti compatibili con l'ossigeno. Questo approccio è meno rigido di quello formale, tuttavia, se eseguito correttamente, è molto efficace. La pulizia deve essere eseguita da tecnici qualificati.

L'attrezzatura deve essere pulita da tutto lo sporco e il grasso visibili, quindi spazzolata o pulita ad ultrasuoni utilizzando un detergente forte. acqua calda. I prodotti per la pulizia liquidi come Joy sono adatti per l'uso domestico. La pulizia non deve essere inferiore a quella prevista per piatti e posate. Dopo l'asciugatura, i componenti morbidi devono essere sostituiti con altri compatibili con l'ossigeno, dopodiché l'attrezzatura viene lubrificata con un lubrificante compatibile con l'ossigeno.

Dopo la pulizia l'attrezzatura deve essere utilizzata solo per miscele arricchite e non deve essere utilizzata con aria compressa, altrimenti dovrà essere nuovamente pulita.

9. Preparazione di miscele arricchite.

Lo schema tradizionale per la costruzione di un sistema di miscelazione del gas si basa sull'aggiunta di ossigeno all'aria in un modo o nell'altro. Recentemente sono stati sviluppati e resi disponibili due nuovi metodi che arricchiscono l'aria in modo diverso: rimuovendo l'azoto. Questa sezione tratterà 3 metodi di aggiunta di ossigeno: miscelazione a peso, miscelazione a pressione parziale, miscelazione a flusso costante; e 2 metodi con rimozione dell'azoto: assorbimento con pulizia periodica dell'assorbente, separazione tramite membrana (Ballantyne e Delp, 1996).

Il tipo di sistema di miscelazione del gas utilizzato è importante per l'utente finale in quanto determina le procedure di riempimento della bombola e l'intervallo di possibili concentrazioni di ossigeno nella miscela risultante.

Miscelazione di gas in base al peso.

Il metodo più semplice e affidabile per ottenere miscele accurate nella composizione è acquistare miscele già pronte. I produttori di gas industriale in genere mescolano ossigeno puro e azoto puro anziché ossigeno puro e aria.

I gas si mescolano in base al peso. Ciò consente di ignorare molte anomalie nel comportamento dei gas causate dalle loro differenze rispetto a quelli ideali e fornisce una composizione dei gas delle miscele molto accurata. La miscelazione può essere effettuata in bombole, bancate o serbatoi. È necessario disporre di bilance precise, che sono piuttosto costose, poiché devono essere in grado di misurare piccole variazioni con grandi pesi. Questo metodo di miscelazione dei gas è il più accurato e le miscele risultanti vengono analizzate attentamente per garantire che la composizione effettiva corrisponda a quella dichiarata. Nella preparazione di tali miscele l'azienda industriale è costretta ad utilizzare ossigeno puro, ma il rivenditore delle miscele può evitarlo. Questo metodo è piuttosto costoso, ed il suo costo è aumentato dal fatto che i contenitori per lo stoccaggio delle miscele appartengono al fornitore delle miscele, e quindi vengono noleggiati dal venditore delle miscele.

Miscelazione delle pressioni parziali.

Come dice il nome stesso del metodo, si basa sul rapporto delle pressioni parziali. Il tecnico riempie il serbatoio con la quantità di ossigeno specificata (misurata dal valore della pressione), quindi lo ricarica con aria ultrapura fino alla pressione finale desiderata. Innanzitutto, l'ossigeno viene pompato quando la bombola è ancora vuota, il che riduce il rischio di incendio della procedura, poiché non è necessario manipolare l'ossigeno alla massima pressione della bombola piena. Poiché viene utilizzato ossigeno puro, l'intero sistema, compresa la bombola da riempire, deve essere compatibile con l'ossigeno e pulito. Poiché la pressione dipende dalla temperatura e la bombola si riscalda durante il riempimento, è necessario lasciar raffreddare la bombola oppure tenere conto dell'influenza della temperatura durante la misurazione della pressione. Poiché la regolazione finale della composizione viene spesso effettuata dopo che il cilindro si è completamente raffreddato, l'intero processo di preparazione della miscela richiede molto tempo. Questo procedimento può essere utilizzato anche per riempire nuovamente un contenitore di una miscela di composizione nota per ottenere una miscela di uguale o diversa composizione specifica.

Non è necessario un compressore per miscelare utilizzando questo metodo se l'aria viene fornita a una pressione sufficiente a riempire le bombole senza ulteriore compressione. Per ottenere il massimo utilizzo del parco bombole di ricarica, si utilizza la cosiddetta “tecnologia a cascata”, che consiste nell'utilizzare prima la bombola di ricarica con la pressione più bassa, poi quella con la pressione più alta e così via. A volte il metodo stesso è chiamato “metodo di miscelazione a cascata”.

Anche i compressori vengono spesso utilizzati con questo metodo. Non devono utilizzare oli lubrificanti o fornire aria ad altissima purezza adatta alla miscelazione con l'ossigeno. Un altro modo per pompare aria in un cilindro è utilizzare una pompa pneumatica che comprime l'aria in una serie di cilindri di diverso diametro, i cui pistoni sono collegati allo stesso albero a camme. Ogna dei modelli più apprezzati è Haskel.

La miscelazione a pressione parziale è molto popolare tra i centri subacquei, che preparano molte miscele diverse in piccoli volumi per vari scopi di immersione ricreativa e tecnica, comprese miscele con un contenuto di ossigeno superiore al 40%. In questo caso, una parte significativa del costo del sistema è un manometro ad alta precisione. In questo caso risulta molto efficace l’utilizzo di una pompa pneumatica. Questo metodo viene utilizzato in siti di immersione remoti. Poiché l'ossigeno viene aggiunto a bassa pressione, alcuni tecnici non puliscono le bombole di ossigeno. Questa pratica è da evitare: la bombola deve essere sempre pulita per l'utilizzo con ossigeno.

10.Miscelazione a flusso costante.

Questo metodo (chiamato anche metodo del carico atmosferico) è stato sviluppato per la prima volta dalla NOAA (1979, 1991) ed è il metodo più facile da usare (Figura 9-7). In questo metodo, l'ossigeno a bassa pressione viene aggiunto al flusso d'aria in ingresso al compressore con un elevato grado di rimozione dei vapori d'olio. La composizione del flusso effluente viene continuamente analizzata e il risultato di questa analisi viene utilizzato per regolare di conseguenza la miscela di ossigeno nel flusso in ingresso. Il flusso in uscita può bypassare il banco di cilindri di riempimento mentre la composizione della miscela viene regolata. Una volta pompata la miscela nelle bombole di ricarica, può essere trasferita alle bombole da sub tramite bypass o utilizzando una pompa ad aria. Un impianto a flusso costante può anche utilizzare un sottosistema di assorbimento come fonte di ossigeno, con purificazione periodica dell'assorbente PSA.

Esiste un'altra classe di unità a flusso costante che forniscono aria al subacqueo commerciale attraverso un tubo di alimentazione dell'aria. Tali installazioni dispongono di mezzi per monitorare la costanza della composizione della miscela: vari misuratori di flusso e regolatori. La loro pressione di uscita è generalmente inferiore a 200 psi (13 atm).

11. Assorbimento con pulizia periodica dell'assorbente (PSA).

Questo metodo si basa sull'uso di un materiale chiamato "setaccio molecolare", un materiale sintetico poroso simile all'argilla i cui pori forniscono una superficie molto ampia. Questa superficie assorbe i gas (“adsorbire” significa “assorbire su una superficie”). L'azoto viene assorbito più velocemente dell'ossigeno, quindi l'aria che passa attraverso l'adsorbente diventa più ricca di ossigeno (più precisamente, più povera di azoto). Vengono utilizzate due piastre assorbenti tra le quali viene commutato il flusso d'aria. Quando il flusso è diretto verso una piastra, adsorbe azoto, mentre la seconda piastra in questo momento viene ripulita dall'azoto precedentemente adsorbito. Quindi i piatti si scambiano i ruoli.

Variando la pressione e la frequenza di pulizia delle piastre è possibile ottenere diversi valori di contenuto di ossigeno nella miscela in uscita. Il contenuto massimo di ossigeno raggiungibile è del 95%, il resto è argon. L'argon si comporta con questo tipo di adsorbente quasi come l'ossigeno (cioè non viene adsorbito), quindi sarà contenuto nella miscela in uscita quasi nella stessa proporzione dell'ossigeno come nell'aria in ingresso. Questo argon non ha alcun effetto sul subacqueo.

Impianti di questo tipo non necessitano di ossigeno ad alta pressione, ma sono complessi e piuttosto costosi in termini di acquisto e manutenzione; il flusso in uscita deve essere pompato nelle bombole utilizzando un compressore purificato o una pompa d'aria compatibile con l'ossigeno (nella foto).

12. Separazione della membrana.

Questo metodo si basa sull'utilizzo di una membrana che, quando l'aria pulita la attraversa, permette alle molecole di ossigeno di passare meglio delle molecole di azoto. La miscela in uscita viene quindi arricchita di ossigeno e la concentrazione di ossigeno è determinata dal flusso in ingresso. Il contenuto massimo di ossigeno ottenibile nei sistemi disponibili in commercio è di circa il 40%. La stessa tecnologia, tra l'altro, viene utilizzata per separare l'elio in alcuni altri processi.

Analogamente alle unità PSA, non è necessario utilizzare ossigeno ad alta pressione. L'effluente deve essere pompato in bombole utilizzando un compressore purificato o una pompa d'aria compatibile con l'ossigeno. I sistemi a membrana sono abbastanza affidabili e non richiedono una manutenzione particolare, a condizione che la purezza del flusso in ingresso sia sufficiente.

gas archivio

Una miscela gassosa di idrogeno e ossigeno, se loro le frazioni di massa 1 e 2 sono rispettivamente uguali... parametri caratterizzanti l'individuo proprietàgas, e quindi è... T=400 K. 8 CAPITOLO 1 FONDAMENTI FISICI DELLA MECCANICA CAPITOLO 1 FONDAMENTI FISICI DELLA MECCANICA...

Introduzione 3 Capitolo 1 Gli scienziati e le loro scoperte

Estratto della tesi

... capitoli. introduzione Capitolo 1: Scienziati e loro scoperte. - L'esperienza di Priestley Capitolo 2. Storia della fotosintesi. Capitolo 3: L'importanza della fotosintesi in natura. Capitolo... diossido di carbonio gas in ossigeno. Carbonico gas richiesto...potenziale elettrochimico. Proprietà membrana tilacoide...

Ogni gas presente nelle miscele si comporta come se occupasse da solo l'intero volume del recipiente: le sue molecole sono disperse uniformemente nello spazio e creano una propria, la cosiddetta pressione parziale pi sulle pareti del recipiente. Se la miscela è in equilibrio, la temperatura di tutti i gas è la stessa e uguale alla temperatura della miscela TCM. La massa della miscela è pari alla somma delle masse dei componenti; La pressione della miscela secondo la legge delle pressioni parziali di Dalton (1801) è pari alla somma delle pressioni parziali:

dove n è il numero dei componenti che compongono la miscela.

Il fisico e chimico inglese John DALTON (1766–1844) formulò nel 1803 la legge dei rapporti multipli: se due sostanze semplici o complesse formano più di un composto tra loro, allora le masse di una sostanza per la stessa massa di un'altra sostanza sono correlati come numeri interi, solitamente piccoli. Ad esempio, in cinque ossidi di azoto (N 2 O, NO, N 2 O 3, NO 2, N 2 O 5) la quantità di ossigeno rispetto alla stessa quantità in peso di azoto è 1: 2: 3: 4: 5. Dalton spiegò correttamente questa legge con la struttura atomica della materia e la capacità degli atomi di una sostanza di combinarsi con un numero variabile di atomi di un'altra sostanza. Allo stesso tempo, Dalton propose di utilizzare il concetto di peso atomico in chimica. Conoscendo i pesi atomici degli elementi è possibile stabilire la misura delle trasformazioni chimiche e dei rapporti chimici delle sostanze, nonché elaborare equazioni quantitative delle reazioni. Per la prima volta (1794) condusse una ricerca e descrisse un difetto visivo di cui lui stesso soffriva: il daltonismo, in seguito chiamato daltonismo in suo onore.

Per metà della sua vita, Dalton non aveva idea che ci fosse qualcosa di sbagliato nella sua visione. Studiò ottica e chimica, ma scoprì il suo difetto grazie alla passione per la botanica. Inizialmente attribuì il fatto di non riuscire a distinguere un fiore blu da uno rosa a una confusione nella classificazione dei fiori e non a carenze nella sua visione. Dalton notò che un fiore che sembrava azzurro cielo alla luce del sole (o meglio, il colore che pensava fosse azzurro cielo) sembrava rosso scuro alla luce di una candela. Si rivolse a chi gli stava intorno, ma nessuno vide una trasformazione così strana, ad eccezione di suo fratello. Quindi Dalton si rese conto che c'era qualcosa che non andava nella sua visione e che questo problema era ereditario. Nel 1995, furono condotti studi sull'occhio preservato di John Dalton, che rivelarono che soffriva di una rara forma di daltonismo: la deuteranopia. I deuteranopi mancano del pigmento del cono M, per cui i malati sono relativamente insensibili alle lunghezze d'onda medie della parte verde dello spettro, ma allo stesso tempo percepiscono la parte a onde corte dello spettro come blu e quella a onde corte parte a onda lunga come gialla.

Le proprietà della miscela dipendono dalla sua composizione, che può essere specificata diversi modi. Il modo più semplice e conveniente è specificare la composizione della massa, ad es. Per ciascun gas viene specificata la sua frazione di massa nella miscela:

La frazione molare è il rapporto tra il numero di kilomoli di un dato gas e il numero di kilomoli dell'intera miscela:

dove mi è il peso molecolare dell'i-esimo componente.

Misurare

è chiamato peso molecolare apparente della miscela.

Spesso la composizione della miscela è specificata dalle frazioni di volume

dove V i è il volume parziale dell'i-esimo componente, cioè il volume che occuperebbe un dato gas se la sua pressione non fosse pi , ma p SM (alla stessa temperatura T SM), .

Per uno stato reale, la relazione tra i parametri è determinata dall'equazione p i ×V CM =m i ×R i ×T CM, e per uno stato condizionale - p CM ×V i = = m i ×R i ×T CM. Dall'uguaglianza dei membri di destra di queste equazioni segue p i ×V CM =p CM ×V i , da cui troviamo due formule importanti:

È importante conoscere le relazioni tra le quantità g i, y i e r i. Per trovare queste relazioni, effettuiamo le seguenti semplici trasformazioni che non richiedono ulteriori spiegazioni:

Qui 22,4 è il volume di 1 kmol di qualsiasi gas in condizioni normali, m 3 (secondo la legge di Avogadro, la maggior parte dei gas ha questo volume, sebbene vi siano piccole deviazioni).

Frazione di volume

Poiché i lati destri delle ultime 2 formule sono uguali, possiamo concludere che le frazioni molari sono uguali alle frazioni volumetriche: y i = r i.

Otteniamo un'altra relazione come questa:

Sostituendo y i con r i , scriviamolo diversamente:

r i×m i =g i×m SM.

Riassumiamo le formule risultanti per tutti gli n componenti della miscela. Di conseguenza avremo

perché il .

In base alla proprietà di additività si possono scrivere le seguenti formule per calcolare le capacità termiche della miscela:

Il valore della costante dei gas si trova in modo simile:

oppure, come per qualsiasi gas, attraverso la costante universale dei gas secondo la formula R CM = 8314/m CM.

Diamo uno sguardo più da vicino ai due metodi di miscelazione più tipici.

1. Miscelazione di gas combinando singoli volumi. Siano n gas diversi situati in recipienti separati con volumi V 1, V 2, .... I parametri di ciascun gas sono p 1, p 2, ... e T 1, T 2, ... Per ottenere un miscela, questi volumi vengono combinati o rimuovendo le partizioni, o utilizzando tubazioni corte di sezione trasversale sufficientemente grande. Come risultato del flusso e della diffusione dei gas dopo un certo periodo di tempo, si ottiene una miscela omogenea, la cui massa e volume possono essere determinati mediante semplice somma:

dove è la massa dell'i-esimo componente, R i è la sua costante dei gas.

Durante la miscelazione non viene svolto alcun lavoro esterno e non avviene alcuno scambio termico esterno (dl = 0, dq = 0), il che significa che l'energia interna di ciascun gas non cambia (du = 0). Pertanto l’energia interna della miscela sarà la somma dell’energia interna dei suoi componenti, cioè

Qui u CM = m CM × c V C M × (T C M – T 0) e u i = m i × c V i × (T i – T 0),

dove c Vi è la capacità termica media del componente i-esimo nei processi isobarici.

Sostituiamo le espressioni fornite nella formula originale:

ed effettuare le seguenti trasformazioni: dividere entrambi i lati per m CM (in questo caso a destra si ottiene ), aprire le parentesi e toglierle dal segno di somma valore costante T0:

Se lo prendiamo in considerazione , dopo aver introdotto termini simili la formula assumerà la forma

Troviamo la pressione della miscela dall'equazione di stato di un gas ideale:

Immaginiamo che la formazione della miscela avvenga in due fasi. Nella prima fase le pareti divisorie tra i componenti diventano elastiche e conducono bene il calore. Quindi, a seguito delle deformazioni e dello scambio termico che avvengono in modo reversibile, le temperature e le pressioni dei componenti si equalizzano (diventeranno uguali a p SM e T SM) e i volumi dei gas cambiano. L'entropia di tale stato sarà

Nella seconda fase, le partizioni vengono rimosse. Quindi, come risultato della diffusione, ciascun gas si diffonderà nell'intero volume e ciascun componente avrà parametri T CM e p i = r i × p CM, dove r i è la frazione volumetrica del componente. In questo caso l’entropia di una miscela può essere definita come la somma delle entropie dei componenti:

Il confronto di queste formule ci permette di trovare l'aumento di entropia dovuto all'irreversibilità:

il che rende facile riscontrare perdite di prestazioni

Dl = T 0 × Ds REV.

Se, ad esempio, è necessario dividere la miscela in componenti separati, sarà necessario almeno spendere il lavoro Dl.

2. La miscelazione dei flussi di gas è un metodo per produrre miscele in continuo. Diversi flussi di gas vengono diretti in un canale di uscita. Lasciamo che M i di gas scorra attraverso il canale i-esimo, kg/s, con parametri pi e T i . Quindi la portata volumetrica di questo flusso sarà

e la velocità

Quando si mescolano i flussi, le velocità dei gas sono basse e differiscono poco l'una dall'altra. Pertanto si può trascurare la differenza di velocità dei gas e si può assumere che le pressioni pi dei gas siano praticamente uguali e pari a p SM.

Se la pressione è costante e non c’è scambio di calore esterno, si avrà il seguente bilancio entalpico:

Poiché per un gas ideale h = с р ×(Т – Т 0), la formula sopra può essere scritta come segue:

Dove ; c pi è la capacità termica isobarica media del componente i-esimo.

Effettuando trasformazioni simili alle precedenti, otteniamo

Ora puoi trovare la portata volumetrica della miscela e la sua velocità nel canale di uscita con sezione F OUT.

Per identificare le caratteristiche delle condizioni di aria umida, eseguiamo mentalmente il seguente esperimento. Mettiamo una piccola quantità di acqua in un volume chiuso con aria secca. Come risultato della sua evaporazione, si forma una miscela chiamata aria umida. Se aggiungi una piccola quantità di acqua, la concentrazione e la pressione parziale del vapore aumenteranno dopo l'evaporazione. Tuttavia, questo sarà osservato solo finché non si verifica l’equilibrio dinamico tra vapore e liquido, vale a dire finché il vapore nella miscela non si satura con una pressione pari a pH.

Con sufficiente precisione per la pratica, entrambi i componenti dell'aria umida vengono considerati un gas ideale. Come per qualsiasi miscela di gas, anche in questo caso la pressione della miscela è determinata dalla somma delle pressioni parziali: p SM = p SV + p P.

Di solito si ha a che fare con aria umida atmosferica, quindi p CM è uguale alla pressione barometrica B, cioè r SV + + r P = V.

La massa di vapore contenuta in 1 m 3 di aria umida è detta umidità assoluta. L'umidità assoluta è uguale alla densità del vapore nell'aria umida. Umidità assoluta massima dell'aria umida satura r" = 1/v".

L'umidità relativa è il rapporto tra l'umidità assoluta e quella massima possibile nelle stesse condizioni: j = r P /r".

Applicando l'equazione di stato dei gas ideali per la componente vapore, possiamo scrivere

La relazione risultante è spesso considerata la definizione di j. Di solito il valore j non è espresso in azioni, ma in percentuale. L'umidità relativa dell'aria satura è del 100%. Il valore j viene misurato utilizzando psicrometri o igrometri.

Lo psicrometro più semplice è costituito da due termometri ad alcol, uno è un normale termometro a secco e il secondo ha un dispositivo di umidificazione. Il sensore di temperatura di un termometro a bulbo umido è avvolto in un panno di cotone, che viene posto in un contenitore pieno d'acqua. Il tasso di evaporazione dell'umidità aumenta al diminuire dell'umidità relativa dell'aria. L'evaporazione dell'umidità provoca il raffreddamento dell'oggetto da cui l'umidità evapora. Quando il sensore di temperatura del termometro umido si raffredda, la velocità di evaporazione dell'umidità diminuisce finché, ad una certa temperatura, viene raggiunto l'equilibrio dinamico: la quantità di umidità evaporata è uguale alla quantità di umidità condensata. Pertanto, la temperatura del bulbo umido fornirà informazioni sull'umidità relativa dell'aria. I termometri hanno graduazioni precise con valori di divisione di 0,2–0,1 gradi. Una tabella psicometrica può essere inclusa nella progettazione del dispositivo per facilità d'uso.

La massa di aria umida situata in un certo volume V , determinato dalla somma delle masse di aria secca e vapore

m BB = m C B + m P.

Dopo aver diviso questa formula per il valore V otteniamo

r BB = r C B + r P.

Usando l'equazione di stato per l'aria secca e le relazioni di cui sopra, troviamo

Sostituiamo i valori trovati nella formula per la densità dell'aria umida e dopo semplici trasformazioni otteniamo:

Si noti ora che R B< R П, значит (1/R B – 1/R П) >0. La quantità B/(R B ×T) è uguale alla densità dell'aria secca alla pressione barometrica. Quindi la conclusione segue dall'ultima formula: la densità dell'aria umida è inferiore alla densità dell'aria secca alla stessa pressione (solitamente barometrica). È vero, la differenza di densità è piccola, quindi nei calcoli tecnici di solito prendono r BB = r C B, sebbene, se necessario, sia possibile eseguire calcoli più accurati utilizzando l'ultima espressione.

Nei calcoli pratici, il parametro dell'aria umida chiamato contenuto di umidità d è ampiamente utilizzato. Per definizione, il contenuto di umidità è la quantità di umidità o vapore, kg (g), per chilogrammo di aria secca:

Per il volume V le quantità m P = V × r P, m SV = V × r SV. Poi

Il rapporto R SV /R P = 0,622, quindi finalmente abbiamo

Un parametro importante dell'aria umida è la sua entalpia, che è la somma dell'entalpia dell'aria secca e dell'entalpia del vapore contenuto nella miscela:

H = H CB + H P = c R CB × t + d × (h" + r + c R P × (t - t N)).

Le connessioni analitiche tra t, j, d e H sono piuttosto complesse e spesso non algebriche. Pertanto, risolvere molti problemi è difficile e richiede metodi iterativi. Per semplificare e facilitare i calcoli, utilizzare uno speciale diagramma H–d costruito per la pressione B = 745 mm Hg. Arte. in base alle tabelle di saturazione e alle formule di cui sopra. Questo diagramma è tracciato in una griglia di coordinate obliqua:

Il diagramma mostra una griglia di linee j = const, una griglia di isoterme t = const e linee Í = const, dirette con un angolo di 45° rispetto alla verticale. La presenza di queste griglie rende possibile utilizzare due parametri qualsiasi della lista t, j, d e H per trovare un punto sul diagramma, e quindi gli altri due parametri sconosciuti.

In molti dispositivi tecnici, ad esempio dispositivi a getto di vapore, riscaldatori di vapore miscelatori, ecc., Viene effettuata una miscelazione adiabatica (senza scambio di calore esterno) dei flussi di vapore acqueo, a seguito della quale i parametri del vapore dei flussi iniziali subiscono modifiche.

Quindi, supponiamo che ci siano due (per semplicità di ragionamento) flussi di vapore con portate massiche M 1 e M 2 e parametri di vapore p 1, v 1, t 1, h 1, s 1 e p 2, v 2, t 2, h 2, s 2 vengono miscelati nella camera e la lasciano con i parametri p CM, v CM, t CM, h CM, s CM. È necessario determinare i parametri della miscela.

È chiaro che la portata massica del flusso in uscita sarà M SM = = M 1 + M 2, e le frazioni di massa g 1 e g 2 sono una coppia di flussi corrispondenti

Il problema posto è abbastanza semplice da risolvere utilizzando il diagramma h–s dell’acqua e del vapore. Utilizzando i parametri indicati p 1, t 1 e p 2, t 2, troviamo i punti 1 e 2 sul diagramma. Se il processo di miscelazione avviene in modo reversibile, allora l'entropia specifica della miscela s CM, come valore additivo , sarà determinato dalla somma s CM = g 1 ×s 1 + g 2 ×s 2, riflettendo la condizione di reversibilità:

Troveremo i parametri della miscela risultante collegando i punti 1 e 2 e determinando la posizione del punto 3 rispetto ai segmenti l 13 e l 32, la cui lunghezza è determinata dalla relazione

Proviamo che tale proporzione soddisfa sia la condizione di reversibilità che l'equazione del bilancio termico h SM = g 1 ×h 1 + g 2 ×h 2 .

Dalla somiglianza dei triangoli 1a3 e 3b2 segue una semplice relazione

da dove lo prendiamo?

h 3 × g 1 – h 1 × g 1 = h 2 × g 2 – h 3 × g 2.

h 3 ×(g 1 + g 2) = h 1 × g 1 + h 2 × g 2.

Ho g 1 + g 2 = 1, il che significa

h3 = hSM = h1×g1 + h2×g2.

Analogamente, analizzando le relazioni tra i segmenti l 1 a e l 3 b, si può verificare che è soddisfatta anche la condizione di reversibilità.

In realtà il processo di miscelazione è un processo irreversibile e, secondo la seconda legge della termodinamica, l'entropia della miscela è maggiore dell'entropia di entrambi i flussi prima della miscelazione:

s CM = g 1 × s 1 + g 2 × s 2 + Ds UNINV.

Tipicamente, le pressioni del vapore agli ingressi e alle uscite della camera di miscelazione sono molto vicine e possono essere considerate uguali, vale a dire i punti 1, 2 e 3 H giacciono sulla stessa isobara:

Se durante il processo di tale miscelazione viene fornito o rimosso calore, l'entalpia e l'entropia della miscela cambieranno ulteriormente. Poiché lo scambio di calore qui avviene a p=cost, il valore dell'entalpia cambierà in base alla quantità di calore coinvolta nello scambio di calore, Dh = q:

Il metodo presentato consente di determinare i parametri dello stato della miscela anche quando si mescolano più flussi di vapore. In questo caso, lo stato del vapore viene determinato prima quando si mescolano due flussi, poi allo stesso modo quando si miscela la miscela risultante con un terzo flusso, ecc.

Frazioni di massa ciascuno dei componenti di una qualsiasi miscela sarà determinato dai valori delle portate massiche M 1 e M 2 del primo e del secondo flusso. Il contenuto di umidità d e l'entalpia h sono parametri additivi, quindi possiamo scrivere

d CM = g 1 × d 1 + g 2 × d 2 e h CM = g 1 × h 1 + g 2 × h 2 = g 1 × h 1 + (1 – g 1)× h 2 ,

poiché g1 + g2 = 1.

I valori di d 1, d 2, h 1, h 2 possono essere determinati dal diagramma h–d in base alle temperature t 1 e t 2 e all'umidità relativa j 1 e j 2 indicate:

Sul diagramma, oltre ai punti 1, 2 e 3, che mostrano i parametri di ciascuno dei flussi e della miscela risultante, sono tracciati i punti 4, 5 e 6, necessari per ulteriori ragionamenti.

I parametri della miscela possono essere determinati senza ricorrere a calcoli. Per fare ciò è necessario tracciare una linea retta passante per i punti 1 e 2 e trovare la posizione del punto 3, utilizzando la relazione ottenuta in precedenza

Effettuiamo le trasformazioni più semplici sostituendo il valore di h CM:

Resta da dimostrare che con una tale divisione del segmento 1–2 anche il valore di d CM sarà determinato correttamente. Per fare ciò, annotiamo i rapporti tra i lati dei triangoli selezionati e le loro altezze, tenendo conto che queste altezze sono determinate dalle differenze nel contenuto di umidità d:

Da qui troveremo

g 2 ×d 2 – g 2 ×d SM = g 1 ×d SM – g 1 ×d 1.

d SM × (g 1 + g 2) = g 1 × d 1 + g 2 × d 2; d SM = g 1 × d 1 + g 2 × d 2.

L'ultima formula corrisponde pienamente alla proprietà dell'additività.