Amestecarea gazelor. Amestecarea gazelor

Apare o întrebare firească: ce ecuații descriu amestecuri de gaze ideale? La urma urmei, rareori întâlnim gaze pure în natură. De exemplu, habitatul nostru natural - aerul - este format din azot N 2 (78,08 % ), oxigen O2 (20,95 % ), gaze inerte ( 0,94 % ), dioxid de carbon CO2 (0,03 % ).

Lasă într-o oarecare măsură V la o anumită temperatură T conține un amestec de gaze (pe care le vom număra
index i). Vom caracteriza rolul fiecărui component al amestecului fractiune in masa:

Unde m i - greutate i a componenta. Sarcina noastră - scrieți o ecuație similară cu ecuația lui Clapeyron - Mendeleev și înțelegeți numărul efectiv de grade de libertate ale unui amestec, care poate conține atât molecule monoatomice, cât și poliatomice.

În primul rând, rețineți că luăm în considerare gazele ideale. Moleculele nu interacționează între ele și, prin urmare, fiecare componentă nu interferează cu niciun alt „viu” în același vas comun. Diverse gaze dintr-un vas, datorită presupusei lor idealități, pur și simplu „nu se observă” unele pe altele. Prin urmare, pentru fiecare dintre componente este valabilă aceeași ecuație Clapeyron - Mendeleev:

Unde n i - numărul de moli de substanță în i-a componenta. Număr complet n moli din amestec este egală cu suma numărului de moli n iîn fiecare dintre componente:

În mod similar, masa totală a amestecului este egală cu suma maselor fiecăruia dintre componente

și este firesc să se determine Masă molară amestecuri m Cum masa unui mol de amestec:

Să introducem o cantitate numită presiune parțială.

Apare legea lui Dalton pentru amestecul de gaze:

Presiunea totală a amestecului de gaze este egală cu suma tuturor presiunilor parțiale

Însumând părțile stânga și dreaptă ale (1.21), ajungem la forma standard a ecuației Clapeyron-Mendeleev

Unde m,μ, n sunt determinate din condiţiile unei sarcini specifice. De exemplu, dacă sunt date fracțiile de masă ale componentelor, atunci masa molară a amestecului se găsește din relația

Energie interna U i i A-lea component al amestecului se determină în conformitate cu formulele (1.16) și (1.19):

Pe de o parte, energia internă totală a amestecului este egală cu suma energiilor fiecărei componente:

13.7. Transformatoare termice

Adesea, pentru a efectua un proces tehnologic este necesar să se mențină o anumită temperatură.

Cea mai simplă metodă de asistență este arderea combustibilului și transferul căldurii din produsele fierbinți de ardere fie direct către consumator, fie către un lichid de răcire intermediar. În acest caz, schimbul de căldură are loc în mod natural de la o sursă fierbinte cu o temperatură T 1 mai rece cu temperatura T 2. Cu această metodă, este imposibil să transferați o cantitate mai mare de căldură decât cea obținută în timpul arderii combustibilului (și din cauza pierderilor, aceasta este semnificativ mai mică).

Cu toate acestea, este fundamental posibil, având o anumită cantitate de căldură q" la temperatură ridicată T 1, obțineți mai multă căldură la o temperatură mai scăzută fără costul muncii T 2. Pentru a face acest lucru, este suficient să efectuați un ciclu Carnot direct reversibil între o sursă cu o temperatură ridicată și mediu inconjurator cu temperatura T Cu, în urma căruia se va obține munca (vezi (7.7)):

După ce a petrecut această muncă într-un ciclu Carnot invers reversibil între un mediu cu temperatura T Cu si consumatorul cu temperatura T 2, îi vom transfera acestuia din urmă o cantitate de căldură egală cu

Înlocuirea valorii muncii în această expresie l Cu din expresia anterioară, obținem:

unde se numește coeficientul de proporționalitate ψ 1.2 coeficientul de conversie a căldurii asupra temperaturii T 1 la temperatură T 2 .

Prin urmare, primind q" cantitatea de căldură dintr-o sursă cu temperatură T 1, poate fi transmisă în organism cu febră T 2 cantitatea de căldură ψ 1.2 q" .

Deoarece T 2 T 1 , atunci q" >q" .

De exemplu, lasa t 1 = 1000 o C, t 2 = 50 o C, t Cu = 0 o C. Coeficient . Astfel, pentru a obține, să zicem, 5 J de căldură la o temperatură de 50 o C, ar trebui consumat doar 1 J de căldură la 1000 o C, în timp ce într-o instalație de încălzire convențională, 1 J de căldură la o temperatură ridicată se rotește. în aceeași cantitate de căldură la temperatură scăzută.

In consecinta, din punct de vedere termodinamic, o instalatie de incalzire este de 5 ori mai putin economica decat o instalatie reversibila de conversie a caldurii.

Un dispozitiv care permite cicluri înainte și invers de transfer de căldură de la o sursă cu o temperatură la un consumator cu o temperatură diferită se numește termotransformator.

Dacă temperatura necesară este mai mică decât cea inițială, atunci se numește termotransformatorul în jos.

Este necesar ajutor pentru a menține o temperatură mai mare decât temperatura de pornire crescând termotransformator, pentru care, din moment ce T 2 > T 1 .

Orez. 13.7 Fig. 13.8

Termotransformatorul este o combinație între un motor termic și o pompă de căldură.

În fig. 13.7 prezintă o diagramă a unui transformator termic descendente, iar Fig. 13.8 este ciclul lui teoretic.

În fig. 13.9 prezintă o diagramă a unui transformator termic crescător, iar Fig. 13.10 – ciclul său teoretic.

In poze: I – motor termic, II – pompa de caldura.

Dacă un transformator termic este proiectat pentru a menține temperaturi atât mai scăzute, cât și mai mari decât cel original, atunci se numește termotransformator de tip mixt.

Orez. 13.9 Fig. 13.10

Întrebări de control

Cum se efectuează ciclul Carnot invers?

Ce parametru evaluează eficiența termodinamică a unei instalații de pompă de căldură?

Care este diferența dintre schemele de circuit ale pompei de căldură și unităților frigorifice?

14. Amestecarea gazelor si vaporilor

În diverse dispozitive avem de multe ori de a face cu amestecarea diferitelor gaze, vapori sau lichide. În acest caz, este necesar să se determine parametrii stării amestecului folosind parametrii cunoscuți ai stării componentelor care alcătuiesc acest amestec.

Soluția la această problemă depinde de condițiile în care are loc acest proces de amestecare. Toate metodele de formare a amestecurilor pot fi împărțite în trei grupuri:

amestecarea gazelor la volum constant,

amestecarea fluxurilor de gaze,

amestecarea gazelor la umplerea rezervorului.

14.1. Proces de amestecare cu volum constant

Această metodă de formare a amestecului constă din mai multe gaze cu presiuni R 1 , R 2 , …, R n, temperaturile T 1 , T 2 , …, T n si masele G 1 , G 2 , …, G n ocupa volume diferite V 1 , V 2 , …, V n(Fig. 14.1).

Dacă îndepărtați partițiile de separare dintre gaze, atunci va apărea un amestec de gaze și volumul amestecului

V = V 1 + V 2 + …+ V n ,

și masa amestecului

G = G 1 + G 2 + …+ G n .

Când se stabilește o stare de echilibru, parametrii amestecului vor fi R, v, T, u.

Întrucât procesul este adiabatic și volumul nu s-a modificat, atunci, în conformitate cu prima lege a termodinamicii, energia internă a sistemului este conservată:

U = U 1 +U 2 + …+ U n sau Gu = G 1 u 1 +G 2 u 2 + … + G n u n .

De aici, energia internă specifică a amestecului este determinată după cum urmează:

, (14.1)

Unde g i- fractiune in masa i gazul.

Și volumul specific, prin definiția sa, este egal cu

. (14.2)

Alți parametri ( R, T) pentru gaze reale, vapori și lichide se regăsesc din diagrame pentru aceste substanțe.

În cazul particular când se amestecă gaze ideale cu capacități termice constante, pentru care du= c v dT, primim

În cazul în care se amestecă porțiuni din același gaz, temperatura amestecului este calculată folosind o formulă mai simplă:

.

Presiunea gazului după amestecare este determinată de ecuația Clayperon–Mendeleev

Unde R– constanta de gaz a amestecului (definită în Secțiunea 1.4).

14.2. Procesul de amestecare în flux

În acest caz, amestecarea gazelor are loc ca urmare a conectării mai multor fluxuri într-un canal.

Să fie prin conductă 1 (Fig. 14.2) gazul cu parametrii intră în camera de amestec p 1 , v 1 , T 1 , h 1, și prin conductă 2 – gaz cu parametri p 2 , v 2 , T 2 , h 2 .

Fluxul de gaz prin conductă 1 egală G 1, prin conductă 2 – G 2. La intrarea în camera de amestec, aceste fluxuri de gaz sunt clasificate astfel încât presiunea din cameră R a fost mai puțin de R 1 și R 2 (dacă, de exemplu, R > R 1, atunci gazul din camera de amestec s-ar repezi în conductă 1 ).

Trebuie subliniată că presiunea Rîn camera de amestec poate fi selectat diferit (prin reglarea supapelor); Acest lucru face ca procesul de amestecare într-un flux să fie semnificativ diferit de amestecarea într-un volum constant, unde presiunea este determinată în mod unic de parametrii gazelor care sunt amestecate.

Gaz din camera de amestec cu parametri R,v, T evacuat prin conductă 3 . Fluxul de gaz în conductă 3 , evident egal G = G 1 + G 2 .

Deoarece gazul se mișcă în conducte, pe lângă energia internă, posedă și (în ansamblu) energie cinetică și potențială. Pentru simplitate (pentru majoritatea problemelor tehnice este justificat), vom presupune că

conductele sunt amplasate orizontal, astfel modificarea energiei potenţiale poate fi neglijată;

vitezele de mișcare a gazului sunt relativ scăzute, adică De asemenea, vom neglija modificarea energiei cinetice.

Apoi, conform primei legi pentru curgerea adiabatică (9.3), în condițiile de mai sus avem

De aici obținem o expresie pentru entalpia specifică a amestecului obținut ca urmare a amestecării în flux:

. (14.3)

Cunoașterea entalpiei specifice h si presiune R gaz după amestecare, folosind diagrame de stare puteți găsi parametrii rămași ai amestecului ( T, v, s si etc.).

Pentru gazele ideale, înlocuind entalpia specifică cu expresia Cu R T, primim

. (14.4)

În cazul amestecării a două fluxuri ale aceluiași gaz, formula pentru temperatura amestecului este simplificată:

. (14.5)

Cunoscând temperatura determinată în acest fel T, din ecuația de stare pentru un gaz ideal se poate găsi volumul specific:

Formulele (14.3)–(14.5) sunt scrise în mod similar pentru un număr arbitrar de fluxuri de gaz miscibil.

14.3. Amestecarea la umplerea volumului

Lăsați în rezervor 1 (Fig. 14.3) volum V există un gaz (abur, lichid) cu o masă G 1 cu parametri R 1 , T 1 . Acest rezervor este alimentat printr-o conductă. 2 gaz cu parametri R 2 , v 2 , T 2 (evident R 2 > R 1) și masa G 2, după care supapa se închide. Un amestec de gaze cu un volum de V si masa G = G 1 + G 2. Este necesar să se determine parametrii amestecului rezultat.

În timpul procesului de umplere, se efectuează lucrări de împingere asupra gazului din conductă 2 , egal – p 2 v 2 G 2; nu se lucreaza in rezervor deoarece volumul rezervorului este constant.

Într-un proces adiabatic, munca se realizează datorită unei modificări a energiei interne (ca și mai înainte, neglijăm energia cinetică a gazului care intră din cauza vitezei scăzute de curgere):

Prin urmare, energia internă specifică a amestecului din vas este egală cu

Volumul specific al amestecului este prin definiție egal cu v = V/ G.

știind uȘi v, folosind diagrame, găsiți parametrii rămași ai amestecului ( R, T, s, h).

În cazul amestecării aceluiași gaz ideal cu capacități termice constante

Unde k– indicele adiabatic.

Presiunea din rezervor după amestecare este

Se amestecă două porțiuni de aer, iar masa primului component este de 10 kg, iar temperatura acestuia este de 400 o C, iar masa celui de-al doilea component este de 90 kg, iar temperatura este de 100 o C. Determinați temperatura amestec pentru diferite metode de amestecare.

Soluție: Temperatura amestecului rezultat dintr-un proces de amestecare cu volum constant sau dintr-un proces de amestecare cu flux de gaz va fi determinată de formula t = g 1 t 1 +g 2 t 2. Și în exemplul nostru este egal cu t= 0,1 ∙ 400 + 0,9 ∙ 100 = 130 o C.

Dacă amestecul este obținut ca urmare a umplerii unui volum în care se află deja primul gaz, atunci temperatura sa absolută este calculată prin formula T = g 1 T 1 +kg 2 T 2. În exemplul luat în considerare, indicele adiabatic al aerului k= 1,4, iar temperatura amestecului este t= 0,1 (400 +273) +1,4 ∙ 0,9 ∙ (100 +273) – 273 = 264 o C.

14.4. Modificarea entropiei în timpul amestecării

Entropia unui amestec este suma entropiilor componentelor acestui amestec, i.e.

sau în cantități specifice

Deoarece procesul de amestecare este un proces ireversibil, entropia sistemului termodinamic (toate substanțele care participă la amestecarea adiabatică), conform celei de-a doua legi a termodinamicii, va crește în acest proces, adică.

Ireversibilitatea procesului de amestecare se explică prin difuzia componentelor de amestecare care însoțește acest proces. Creșterea entropiei în timpul procesului de amestecare este o măsură a acestei ireversibilitati.

Întrebări de control

Care sunt principalele metode de amestecare?

În ce moduri este specificat amestecul?

Cum se determină temperatura unui amestec pentru diferite metode de amestecare?

Cum putem explica faptul că în timpul amestecării adiabatice a gazelor sau vaporilor, entropia amestecului crește?

15. Fundamentele termodinamicii chimice

Un sistem eterogen este determinat de compoziția componentelor sale. În anumite condiții, această compoziție se poate modifica din cauza transformărilor chimice și fizico-chimice care au loc în sistem, timp în care vechile legături sunt distruse și apar noi legături între atomi. Aceste procese sunt însoțite de eliberarea sau absorbția de energie ca urmare a acțiunii forțelor acestor legături.

Termodinamica chimică are în vedere aplicarea primei și a doua legi ale termodinamicii la fenomene chimice și fizico-chimice.

15.1. Reacții chimice

Substanta chimica este un corp macroscopic cu o anumită compoziție chimică, adică un corp în raport cu care se știe nu numai din ce elemente chimice constă și în ce proporție ( chimică individuală), dar se știe și din ce compuși ai elementelor chimice se formează ( amestec sau soluţie).

O substanță chimică (compus) este de obicei caracterizată printr-o formulă chimică care arată din ce elemente este compusă și în ce raport atomii acestor elemente se combină pentru a o forma.

Se numesc procese de interacțiune între substanțe chimice individuale care conduc la formarea de noi substanțe reacții chimice.

Orice reacție chimică poate avea loc atât în ​​direcția înainte, cât și în sens invers.

În sistemele închise, reacțiile chimice au loc în așa fel încât cantitatea totală a fiecărui element chimic prezent în sistem să nu se modifice. Din acest motiv, reacțiile chimice implică nu cantități arbitrare de substanțe, ci mărimile lor stoichiometrice, adică cantităţi corespunzătoare formulelor chimice ale substanţelor. Prin urmare, reacțiile chimice sunt scrise sub formă de egalități între formulele chimice ale substanțelor care participă la reacție și formulele chimice ale produselor acestei reacții. Lăsa A 1 , A 2 , …, A n- materii prime, și ÎN 1 , ÎN 2 , …, ÎN m– produsele finale ale reacției. Apoi reacția chimică dintre substanțe A 1 , A 2 , …, A n, ducând la formarea de substanțe ÎN 1 , ÎN 2 , …, ÎN m, se va scrie ca o egalitate:

în care α 1, α 2, … α n, β 1 , β 2 … β m– coeficienți stoichiometrici. De exemplu, ca urmare a arderii metanului, se formează dioxid de carbon și apă:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O.

Unitatea de măsură a unei substanțe în chimie este considerată 1 cârtiță. Această cantitate conține un număr strict definit de molecule (atomi) unei substanțe date, egal cu constanta lui Avogadro N A= 6,02204∙10 23. Cu alte cuvinte: 1 mol de substanță este definit ca acea cantitate dintr-o substanță a cărei masă în grame este egală cu masa sa moleculară (atomică) M.

Compoziția sistemelor complexe formate din multe substanțe, cantitatea fiecăruia dintre acestea este n i alunite, in chimie se da fracții molare componenta sistemului.

Lasă-le să se amestece n nereacționând chimic între ei ideal gazele Se presupune că sunt cunoscuți parametrii termodinamici inițiali ai stării tuturor componentelor înainte de amestecare și condițiile de amestecare (condițiile de interacțiune cu mediul). Trebuie să găsești echilibru parametrii stării gazelor după amestecare.

Să luăm în considerare două cazuri de amestecare, pentru simplitate presupunând că acest proces are loc fără schimb de căldură cu mediul .

2.1. Amestecarea la W=Const

În acest caz, condițiile de amestecare sunt astfel încât volumul amestecului rezultat W cm egal cu suma volumele inițiale ale componentelor amestecului W H i:

(A nu fi confundat W H i cu volume parţiale W i, discutat la paragraful 1.4.3.)

Să notăm:

P H i- presiunea initiala i gazul;

T H i,t H i– temperatura initiala i--lea gaz respectiv la 0 LA sau 0 CU.

Deoarece întregul sistem de la n gaze atunci când sunt amestecate în condiții W=Const nu efectuează lucrări externe, atunci în conformitate cu prima lege a termodinamicii pentru acest caz () putem scrie:

Aici: U cm – energia internă a unui amestec de gaze de cântărire m cm kilograme

cu temperatura T 0 K;

U H i- energie interna i masa de gaz m i kilograme

cu temperatura initiala T H i .

Să introducem următoarea notație:

u cm – energia internă specifică a unui amestec de gaze la temperatură T 0 K;

u H i - energie internă specifică i-al-lea gaz cu temperatura initiala T H i .

Atunci ecuația (2.1.1) ia următoarea formă:

(2.1.2)

După cum se știe, pentru un gaz ideal du=C v dT, de unde, la numărarea energiei interne din 0 0 K se poate scrie:

Aici: - medie în interval 0 T 0 K capacitatea termică izocoră a masei unui amestec de gaze;

Medie în gamă 0 T H i 0 K capacitatea termică izocoră de masă i gazul.

După înlocuirea (2.1.3) în (2.1.2) obținem:

Dar, în conformitate cu paragraful 1.4.10, capacitatea de căldură în masă reală a unui amestec de gaze este exprimată în termeni de fracțiuni de masă ale componentelor g iși capacitatea lor termică reală, după cum urmează:

În mod similar, media în interval 0 T 0 K Capacitatea termică izocoră de masă a unui amestec de gaze se determină astfel:

Înlocuind această expresie în partea stângă a ecuației (2.1.4) obținem:

de unde (2.1.5)

Deoarece din ecuația de stare, apoi după substituție m iîn ecuația (2.1.5) obținem în final formula pentru temperatura amestecului n gaze:

După cum se știe, formula (2.1.6) poate fi scrisă în următoarea formă:

(Trebuie reamintit că produsul este media în intervalul 0- T H i 0 Kmolar capacitate termică izocoră i gazul.)

În literatura de referință, dependențele empirice ale capacității termice de temperatură sunt adesea date pentru interval 0 t 0 C .

După înlocuirea (2.1.8) și (2.1.9) în ecuația (2.1.2) obținem:

Înlocuirea m i valoarea acestuia, obținem în sfârșit formula pentru temperatura amestecului de gaze în grade Celsius :

Exprimând R i prin masa moleculară, obținem o altă formulă:

Numitorii formulelor (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) și (2.1.11) conțin capacități termice medii, pentru care temperatura amestecului este utilizată ca limită superioară a mediei ( t sau T), a fi determinat. Din acest motiv, temperatura amestecului este determinată de aceste formule metoda aproximărilor succesive .

2.1.1. Cazuri speciale de amestecare a gazelor în timpul W=Const

Să luăm în considerare câteva cazuri speciale de formule (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) și (2.1.11).

1. Fie amestecate gazele, pentru care dependența exponentului adiabatic K i temperatura poate fi neglijată.

(De fapt LA scade odata cu cresterea temperaturii, deoarece

Unde s sau r , A sunt coeficienți empiric pozitivi.

Pentru calcule tehnice în intervalul de la 0 la 2000 0 C, puteți utiliza următoarele formule:

a) pentru gazele biatomice LA 1,40 - 0,50 10 -4 t;

b) pentru produsele de ardere LA 1,35 - 0,55 10 -4 t.

Din aceste formule reiese clar că efectul temperaturii asupra indicelui adiabatic LA devine vizibilă numai la temperaturi de ordinul sutelor de grade Celsius.)

Astfel, dacă presupunem că

atunci formula (2.1.6) va lua următoarea formă:

Formula (2.1.12) poate fi utilizată ca primă aproximare pentru formulele (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) și (2.1.11)

2. Să fie amestecate gazele ale căror capacități termice izocorice molare sunt egale și dependența acestor capacități termice de temperatură poate fi neglijată, adică:

Atunci ecuația (2.1.7) ia o formă foarte simplă:

Dacă gazele au capacități termice izocorice molare egale, atunci în conformitate cu ecuația lui Mayer

Capacitățile termice izobare molare trebuie să fie egale între ele și, prin urmare, exponenții adiabatici trebuie să fie egali, adică.

În această condiție, ecuația (2.1.12) se transformă în (2.1.13).

2.1.2. Presiunea după amestecarea gazelor la W=Const

Presiunea stabilită după amestecarea gazelor poate fi determinată fie prin formulele de la punctul 1.4.2, fie din condiția:

R cm W cm = m cm R cm T= m cm T.

Capitolul 9. Informaţii generale despre amestecarea gazelor.

Scopurile și obiectivele capitolului:

Aflați despre regulile de siguranță la incendiu atunci când lucrați cu oxigen

Aflați despre regulile de manipulare și lucru cu oxigenul

Aflați despre aplicarea „regula 40%”

Afla despre diverse sisteme pentru amestecarea gazelor.

Termeni noi în acest capitol.

Triunghi inflamabil (periculos de incendiu).

Unsoare compatibilă cu oxigen

Încălzire adiabatică (proces diesel)

Curățare cu oxigen

regula 40%.

Amestecarea presiunilor parțiale

Amestecare cu debit constant

Absorbție cu curățarea periodică a absorbantului

Separarea membranei.

Ca scafandru care folosește amestecuri îmbogățite în scufundări, trebuie să poți obține aceste amestecuri. Nu trebuie să știți cum să pregătiți singur nitrox-ul, cu toate acestea, ar trebui să înțelegeți cum este pregătit și să fiți conștienți de cerințele de curățare ale echipamentului dumneavoastră pe care nitrox-ul le impune. Unele dintre metodele utilizate în mod obișnuit pentru producerea amestecurilor fortificate sunt trecute în revistă în acest capitol și sunt discutate avantajele și dezavantajele acestora. Amestecul pe care îl respirați trebuie să aibă un conținut adecvat de oxigen.

1. Manipularea și lucrul cu oxigen.

Oxigenul este un gaz uimitor. El poate fi atât un prieten, cât și un dușman. La amestecarea gazelor pentru utilizarea în scufundări, operatorul trebuie să obțină conținutul adecvat de oxigen în amestecul de înaltă presiune. Acest lucru se poate face prin amestecarea oxigenului pur cu azot sau aer sau prin eliminarea unei părți a azotului din aer. Principala problemă cu amestecarea oxigenului de înaltă presiune este pericolul de incendiu. Orice lucru care nu este complet oxidat - și asta înseamnă practic totul - va arde în oxigen de înaltă presiune dacă este prezentă o sursă de aprindere. Există un anumit risc la manipularea amestecurilor, dar manipularea oxigenului pur comprimat prezintă un risc mult mai mare. Un scafandru care folosește amestecuri îmbogățite nu trebuie să fie competent în manipularea oxigenului pur, dar ar trebui să aibă o anumită înțelegere a riscurilor asociate, deoarece oxigenul este utilizat pe măsură ce activitățile scafandrului devin mai complexe și mai extinse.

2. Triunghi inflamabil (periculos de incendiu).

Pentru a preveni un incendiu, trebuie să știți ce componente provoacă și susțin un incendiu. Aceste componente sunt prezentate în figură

sub forma unui așa-numit „triunghi inflamabil sau periculos de incendiu”. Focul este o reacție chimică rapidă între combustibil și oxigen (oxidant) care poate apărea numai dacă există o sursă de aprindere (căldură). Oxidarea poate avea loc fără ardere, ca, de exemplu, în timpul procesului de ruginire. Incendiul apare atunci când există o sursă de aprindere (căldură). După aprindere în timpul reactie chimica arderea eliberează energie (căldură), care susține arderea în continuare. Dacă scoatem una dintre componente (combustibil, oxigen, sursă de aprindere), incendiul nu poate apărea. Dacă, așadar, toate cele trei componente nu sunt prezente în același timp, incendiul va fi prevenit. Dacă o flacără există deja, îndepărtarea uneia dintre componente va duce la stingerea flăcării. Acestea sunt bazele teoriei stingerii incendiilor. Un alt punct important este că focul trebuie să se răspândească pentru a-și menține existența. Uneori, dorința de a răspândi focul este chiar adăugată ca o altă componentă a „triunghiului” descris mai sus.

3.Oxigen.

În situațiile discutate mai jos, oxigenul este prezent în concentrații mai mari decât concentrația sa în aer. Aceasta înseamnă că oxidantul din „triunghiul inflamabil” este întotdeauna prezent implicit și nu poate fi îndepărtat din această „formulă de foc”. Toată lumea știe că oxigenul atmosferic poate participa activ la reacțiile de ardere în circumstanțe adecvate, așa că nu ar trebui să fie surprinzător că concentrațiile mai mari nu pot decât să crească riscul. În plus, este necesar să ne amintim că un conținut crescut de oxigen în aer înseamnă un conținut redus de gaz inert. Din acest motiv și din alte câteva motive, intensitatea arderii nu depinde liniar de procentul de oxigen. Depinde atât de procentul (cota) de oxigen din amestec, cât și de presiunea parțială a acestuia și crește semnificativ odată cu creșterea acestor parametri.

4.Combustibil.

În acest paragraf vom vorbi despre combustibilul disponibil în sistemul de gaze care asigură utilizarea gazului pentru respirație. La presiuni ridicate de oxigen, dacă are loc un incendiu, sistemul în sine poate deveni combustibil pentru o reacție chimică, dar este nevoie de ceva mai inflamabil pentru a aprinde un incendiu. Aceasta poate fi o parte separată a sistemului, un solvent, un lubrifiant sau componente moi ale sistemului (cauciuc, plastic).

Unii combustibili găsiți în sistemele cu gaz pot fi practic neinflamabili în condiții normale și foarte inflamabili într-un mediu îmbogățit cu oxigen. Aceste tipuri de combustibil includ grăsime siliconică, cauciuc siliconic, neopren, lubrifianți pentru compresoare, așchii și bavuri din plastic și metal, materie organicăși materiale, praf de diferite tipuri, chiar și grăsime pe cerc. Poate că cei mai periculoși combustibili sunt diferiți lubrifianți. Există o concepție greșită comună că siliconul (probabil din cauza numelui exotic) este sigur atunci când este utilizat cu oxigen. De fapt, acest lucru nu este adevărat. Există lubrifianți speciali compatibili cu oxigen, cum ar fi Christo-lube, Krytox, Halocarbon. Tocmai acești autolubrifianți ar trebui folosiți într-un mediu îmbogățit cu oxigen.

5. Aprindere.

Unele surse de aprindere sunt evidente, cu toate acestea, majoritatea sunt în afara sistemului de gaz și nu sunt luate în considerare de noi. Cele două surse principale de aprindere dintr-un sistem sunt frecarea și compresia gazului pe măsură ce acesta trece prin sistem. Termenul „frecare” este folosit aici într-un sens general: în sensul prezenței oricăror particule în fluxul de gaz sau în sensul mișcării fluxului de gaz în sine și al coliziunii sale cu colțurile conductelor de gaz sau alte obstacole. . Un alt fenomen - același care provoacă încălzirea cilindrului - poate provoca și un incendiu (dacă se degajă suficientă căldură). Acesta este același efect care face ca combustibilul să se aprindă în cilindrii unui motor diesel fără bujie. Acest efect se numește „încălzire adiabatică (procesul Diesel)”.

Deschiderea și închiderea bruscă a unei supape de cilindru în timpul compresiei gazului poate provoca o creștere a temperaturii până la punctul de aprindere, iar dacă există contaminanți în fluxul de gaz, aprinderea în sine. Prin urmare, compresoarele nu folosesc supape de schimbare rapidă („supape cu bilă”).

6.Utilizarea sistemelor de oxigen.

Mesajul important al acestui capitol este că riscul manipulării oxigenului poate fi minimizat prin respectarea anumitor reguli în proiectarea și manipularea sistemelor. În special, este important de evitat colțuri ascuțiteși supape de schimbare rapidă și utilizați materiale adecvate. Metalele folosite la fabricarea sistemelor de aer sunt potrivite și pentru realizarea sistemelor de oxigen. În ceea ce privește „componentele moi”, precum garniturile, îmbinările flexibile, diafragmele, acestea trebuie înlocuite cu altele compatibile cu oxigen. În unele cazuri, criteriul principal este o inflamabilitate mai mică în oxigen, dar în majoritatea cazurilor este o rezistență crescută la oxigen la presiune ridicată. Sunt disponibile kituri speciale care vă permit să transformați echipamentele de aer în echipamente pentru utilizarea nitrox.

Acestea includ curățarea și întreținerea corespunzătoare a echipamentului, utilizarea lubrifianților corespunzători, manipularea gazelor într-un mod care să nu provoace aprindere și deschiderea lentă și fără probleme a supapelor.

7.Echipament de curățare pentru utilizare cu oxigen. Câteva considerații privind curățarea echipamentelor.

Conceptul de „curățare cu oxigen” provoacă o oarecare confuzie în rândul scafandrilor amatori. Motivul este că nu este complet clar dacă echipamentul necesită curățare pentru utilizarea cu amestecuri care conțin 21% până la 40% oxigen. Această problemă are rădăcini mai adânci: nu există proceduri industriale dezvoltate și standardizate pentru manipularea amestecurilor care conțin o cantitate intermediară de oxigen în intervalul de la 21% (aer) la 100% (oxigen pur). Standardele există doar pentru manipularea oxigenului pur; Astfel, orice amestec care conține mai mult de 21% oxigen este echivalent cu oxigenul pur conform standardelor actuale. Prin urmare, pentru a efectua toate operațiunile în conformitate cu standardele industriei, orice amestec îmbogățit trebuie tratat ca oxigen pur.

Asociatie pentru gaze comprimate CGA, NFPA, NASA și alte câteva organizații recomandă tratarea gazelor cu concentrații intermediare ca oxigen pur. Acest lucru nu înseamnă că au efectuat studii în acest interval de concentrație. Aceasta înseamnă doar că nu există standarde dezvoltate și acceptate industrial, iar aceste organizații preferă să ia o poziție conservatoare. Pe de altă parte, Marina SUA a dezvoltat proceduri care afirmă că amestecurile cu o concentrație de oxigen de până la 40% pot fi tratate ca aer din punct de vedere al manipulării. Nu au fost publicate rezultate ale testelor care să sugereze că această concluzie este adevărată, cu toate acestea, această abordare este practicată de mulți ani și nu au existat rapoarte de accidente legate de această problemă. NOAA a adoptat această limită de concentrație atunci când lucrează cu amestecuri fortificate; NAUI, în general, de asemenea, însă, cu unele restricții.

Curățați aerul comprimat.

O altă confuzie apare în legătură cu conceptul de „puritate a aerului”. Diferitele „grade” de puritate a gazelor de respirație utilizate de diferite asociații și organizații (CGA, US Navy) sunt confuze când vine vorba de puritatea amestecului îmbogățit. Standardele permit prezența unor vapori de ulei (hidrocarburi) în aerul comprimat (de obicei 5 mg/m3). Această cantitate este sigură din punct de vedere al respirației, dar poate fi periculoasă din punct de vedere al focului atunci când se lucrează cu oxigen comprimat.

Astfel, nu există gradații general acceptate și convenite ale purității aerului care să determine potrivirea acestuia pentru amestecarea cu oxigen pur. Standardele din industrie au convenit că nivelurile de hidrocarburi sunt de ordinul a 0,1 mg/m3. m poate fi considerat acceptabil pentru aer, care „trebuie amestecat în continuare cu oxigen”. În ultimii câțiva ani, sistemele de filtrare (foto) au devenit disponibile pentru a produce aer comprimat care îndeplinește aceste cerințe. Compresoarele care împiedică aerul să intre în contact cu lubrifiantul, desigur, fac față mai bine acestei sarcini, dar sunt semnificativ mai scumpe O abordare oficială a curățării cu oxigen.

Expresia „curățare cu oxigen” sună, de asemenea, înfricoșătoare, pentru că implementarea sa industrială necesită respectarea unor proceduri destul de stricte. Aceste proceduri periodice sunt publicate de CGA și alte organizații. Sunt concepute pentru a menține siguranța atunci când lucrează cu oxigen comprimat.

NAUI precizează că orice echipament destinat utilizării cu oxigen pur sau cu amestecuri care conțin mai mult de 40% oxigen la presiuni mai mari de 200 psi (aproximativ 13 atm) trebuie să fie compatibil cu oxigenul și purificat pentru a fi utilizat cu oxigen. Cilindrul, prima treaptă a regulatorului și toate furtunurile trebuie curățate. Unele piese de echipament pot fi convertite pentru a manipula astfel de amestecuri folosind componente din kituri speciale.

8. Abordare informală a curățării cu oxigen: „regula 40%”

În ciuda lipsei testelor formale, așa-numita „regula 40%” a fost folosită cu destul de mult succes în industria scufundărilor, iar aplicarea acesteia nu a scos la iveală nicio problemă. Au avut loc numeroase incendii în sistemele de amestecare a gazelor de scufundare, dar au fost cauzate de concentrații mai mari de oxigen.

NAUI acceptă această regulă, dar necesită ca echipamentul să fie curățat cu oxigen și să fie utilizați lubrifianți compatibili cu oxigen. Această abordare este mai puțin strictă decât cea formală, totuși, atunci când este făcută corect, este foarte eficientă. Curățarea trebuie efectuată de tehnicieni calificați.

Echipamentul trebuie curățat de toată murdăria și grăsimea vizibilă, apoi periat sau curățat cu ultrasunete folosind un agent de curățare puternic. apa fierbinte. Produsele de curățare lichide precum Joy sunt bune pentru uz casnic. Curățenia nu trebuie să fie mai mică decât cea așteptată de la farfurii și argintărie. După uscare, componentele moi trebuie înlocuite cu altele compatibile cu oxigen, după care echipamentul este lubrifiat cu un lubrifiant compatibil cu oxigen.

După curățare, echipamentul trebuie folosit doar pentru amestecuri îmbogățite și nu trebuie folosit cu aer comprimat, altfel va trebui curățat din nou.

9. Prepararea amestecurilor îmbogățite.

Schema tradițională de construire a unui sistem de amestecare a gazelor se bazează pe adăugarea de oxigen în aer într-un fel sau altul. Două metode noi au fost dezvoltate recent și au devenit disponibile care îmbogățesc aerul într-un mod diferit - prin eliminarea azotului. Această secțiune va acoperi 3 metode de adăugare de oxigen: amestecare în greutate, amestecare cu presiune parțială, amestecare cu debit constant; și 2 metode cu îndepărtarea azotului: absorbția cu curățarea periodică a absorbantului, separarea prin membrană (Ballantyne și Delp, 1996).

Tipul de sistem de amestecare a gazelor utilizat este important pentru utilizatorul final, deoarece determină procedurile de umplere a buteliei și intervalul de concentrații posibile de oxigen în amestecul rezultat.

Amestecarea gazelor în greutate.

Cea mai simplă și mai fiabilă metodă de obținere a amestecurilor care sunt precise în compoziție este achiziționarea de amestecuri gata preparate. Producătorii industriali de gaz amestecă de obicei oxigen pur și azot pur, mai degrabă decât oxigen pur și aer.

Gazele se amestecă în greutate. Acest lucru face posibilă ignorarea multor anomalii în comportamentul gazelor cauzate de diferențele lor față de cele ideale și oferă o compoziție de gaz foarte precisă a amestecurilor. Amestecarea se poate face în cilindri, bănci de cilindri sau rezervoare. Este necesar să existe cântare precise, care sunt destul de scumpe, deoarece trebuie să poată măsura modificări mici cu greutăți mari. Această metodă de amestecare a gazelor este cea mai precisă, iar amestecurile rezultate sunt analizate cu atenție pentru a se asigura că compoziția reală se potrivește cu cea declarată. La prepararea unor astfel de amestecuri, compania industrială este nevoită să folosească oxigen pur, dar comerciantul cu amănuntul al amestecurilor poate evita acest lucru. Această metodă este destul de costisitoare, iar costul ei este crescut de faptul că recipientele pentru depozitarea amestecurilor aparțin furnizorului amestecurilor și, prin urmare, sunt închiriate de vânzătorul amestecurilor.

Amestecarea presiunilor parțiale.

După cum spune și numele metodei, se bazează pe raportul presiunilor parțiale. Tehnicianul umple rezervorul cu o cantitate predeterminată de oxigen (măsurată prin valoarea presiunii), apoi îl completează cu aer ultrapur până la presiunea finală dorită. În primul rând, oxigenul este pompat atunci când cilindrul este încă gol, ceea ce reduce riscul de incendiu al procedurii, deoarece nu este nevoie să manipulați oxigenul la presiunea maximă a cilindrului umplut. Deoarece se folosește oxigen pur, întregul sistem, inclusiv cilindrul care se umple, trebuie să fie compatibil cu oxigenul și curățat. Deoarece presiunea depinde de temperatură, iar cilindrul se încălzește la umplere, este necesar fie să lăsați cilindrul să se răcească, fie să luați în considerare influența temperaturii la măsurarea presiunii. Deoarece ajustarea finală a compoziției se face adesea după ce cilindrul s-a răcit complet, întregul proces de preparare a amestecului durează destul de mult. Acest procedeu poate fi de asemenea utilizat pentru a reumple un recipient cu un amestec de compoziție cunoscută pentru a obține un amestec de aceeași compoziție specifică sau diferită.

Nu este necesar un compresor pentru amestecare folosind această metodă dacă aerul este furnizat la o presiune suficientă pentru a umple rezervoarele de scuba fără compresie suplimentară. Pentru a obține o utilizare maximă a băncii de butelii de reumplere, aceștia folosesc așa-numita „tehnologie în cascadă”, care constă în utilizarea mai întâi a cilindrului de reumplere cu cea mai mică presiune, urmat de cilindrul cu cea mai mare presiune și așa mai departe. Uneori, metoda în sine este numită „metoda de amestecare în cascadă”.

Compresoarele sunt, de asemenea, adesea folosite cu această metodă. Nu trebuie să folosească lubrifianți cu ulei sau trebuie să furnizeze aer de puritate ultra-înaltă, potrivit pentru amestecarea cu oxigenul. O altă modalitate de a pompa aer într-un cilindru este utilizarea unei pompe pneumatice care comprimă aerul într-un set de cilindri de diametre diferite, ale căror pistoane sunt conectate la același arbore cu came. Ogna dintre cele mai populare modele este Haskel.

Amestecarea sub presiune parțială este foarte populară printre centrele de scufundări, care pregătesc multe amestecuri diferite în volume mici pentru diverse scopuri de scufundări recreative și tehnice, inclusiv amestecuri cu un conținut de oxigen de peste 40%. În acest caz, o parte semnificativă a costului sistemului este un manometru de înaltă precizie. În acest caz, utilizarea unei pompe pneumatice este foarte eficientă. Această metodă este utilizată în locurile de scufundări îndepărtate. Deoarece oxigenul este adăugat la presiune scăzută, unii tehnicieni nu curăță buteliile de oxigen. Această practică trebuie evitată: cilindrul trebuie întotdeauna curățat pentru utilizare cu oxigen.

10.Amestecare cu debit constant.

Această metodă (numită și metoda de încărcare atmosferică) a fost dezvoltată pentru prima dată de NOAA (1979, 1991) și este metoda cea mai ușor de utilizat (Figura 9-7). În această metodă, oxigenul la presiune scăzută este adăugat în fluxul de aer de admisie care intră în compresor cu un grad ridicat de îndepărtare a vaporilor de ulei. Fluxul de efluent este analizat continuu pentru compoziție și rezultatul acestei analize este utilizat pentru a ajusta în mod corespunzător amestecul de oxigen în fluxul de intrare. Debitul de ieșire poate ocoli banca de cilindri de umplere în timp ce compoziția amestecului este ajustată. Odată ce amestecul este pompat în cilindrii de umplere, acesta poate fi apoi transferat în cilindrii de scuba prin bypass sau folosind o pompă de aer. O instalație cu flux constant poate utiliza, de asemenea, un subsistem de absorbție ca sursă de oxigen, cu purificare periodică a absorbantului PSA.

Există o altă clasă de unități cu debit constant care furnizează aer scafandrului comercial printr-un furtun de alimentare cu aer. Astfel de instalații au mijloace de monitorizare a constantei compoziției amestecului - diverse debitmetre și regulatoare. Presiunea lor de ieșire este de obicei mai mică de 200 psi (13 atm).

11. Absorbție cu curățarea periodică a absorbantului (PSA).

Această metodă se bazează pe utilizarea unui material numit "sită moleculară" - un material sintetic, poros, asemănător argilului, ai cărui pori asigură o suprafață foarte mare. Această suprafață adsorb gaze („adsorb” înseamnă „absorb pe o suprafață”). Azotul este adsorbit mai repede decât oxigenul, astfel că aerul care trece prin adsorbant devine mai bogat în oxigen (mai precis, mai sărac în azot). Se folosesc două plăci absorbante, între care se comută fluxul de aer. Când fluxul este direcționat către o placă, acesta adsorb azot, în timp ce a doua placă în acest moment este curățată de azotul adsorbit anterior. Apoi plăcile schimbă rolurile.

Prin schimbarea presiunii și a frecvenței de curățare a plăcilor, este posibil să se obțină diferite valori ale conținutului de oxigen din amestecul de ieșire. Conținutul maxim de oxigen atins este de 95%, restul este argon. Argonul se comportă în raport cu acest tip de adsorbant aproape ca oxigenul (adică nu este adsorbit), prin urmare va fi conținut în amestecul de ieșire în aproape aceeași proporție cu oxigenul ca și în aerul de intrare. Acest argon nu are niciun efect asupra scafandrului.

Instalatiile de acest tip nu necesita oxigen la presiune mare, dar sunt complexe si destul de costisitoare din punct de vedere al achizitiei si intretinerii; debitul de ieșire trebuie pompat în cilindri folosind un compresor purificat compatibil cu oxigen sau o pompă de aer (foto).

12. Separarea membranei.

Această metodă se bazează pe utilizarea unei membrane care, atunci când aerul curat trece prin ea, permite ca moleculele de oxigen să treacă mai bine decât moleculele de azot. Amestecul de ieșire este astfel îmbogățit cu oxigen, iar concentrația de oxigen este determinată de debitul de intrare. Conținutul maxim de oxigen atins în sistemele disponibile comercial este de aproximativ 40%. Apropo, aceeași tehnologie este folosită pentru a separa heliul și în alte procese.

Similar cu unitățile PSA, nu este nevoie să utilizați oxigen de înaltă presiune. Efluentul trebuie pompat în cilindri folosind un compresor purificat compatibil cu oxigen sau o pompă de aer. Sistemele cu membrană sunt destul de fiabile și nu necesită întreținere specială, cu condiția ca puritatea fluxului de intrare să fie suficientă.

gazele Arhiva

Un amestec gazos de hidrogen și oxigen, dacă al lor fracțiile de masă 1 și 2 sunt egale, respectiv... parametri care caracterizează individul proprietățigaz, și prin urmare este... T=400 K. 8 CAPITOL 1 BAZELE FIZICE ALE MECANICII CAPITOL 1 BAZELE FIZICE ALE MECANICII...

Introducere 3 Capitolul 1 Oamenii de știință și descoperirile lor

Rezumat al disertației

... capitole. Introducere Capitol 1: Oamenii de știință și al lor descoperiri. - Experiența lui Priestley Capitol 2. Istoria fotosintezei. Capitol 3: Importanța fotosintezei în natură. Capitol... dioxid de carbon gazîn oxigen. Carbonic gaz necesar... potenţialul electrochimic. Proprietăți membrana tilacoidala...

Fiecare gaz din amestecuri se comportă ca și cum singur ar ocupa întregul volum al vasului: moleculele sale sunt dispersate uniform în spațiu și creează propria lor, așa-numita presiune parțială pi pe pereții vasului. Dacă amestecul este în echilibru, temperatura tuturor gazelor este aceeași și egală cu temperatura amestecului TCM. Masa amestecului este egală cu suma maselor componentelor; Presiunea amestecului conform legii presiunilor parțiale a lui Dalton (1801) este egală cu suma presiunilor parțiale:

unde n este numărul de componente care formează amestecul.

Fizicianul și chimistul englez John DALTON (1766–1844) a formulat în 1803 legea raporturilor multiple: dacă două substanțe simple sau complexe formează între ele mai mult de un compus, atunci masele unei substanțe pentru aceeași masă a altei substanțe sunt legate ca numere întregi, de obicei mici. De exemplu, în cinci oxizi de azot (N 2 O, NO, N 2 O 3, NO 2, N 2 O 5) cantitatea de oxigen la aceeași greutate de azot este 1: 2: 3: 4: 5. Dalton a explicat corect această lege prin structura atomică a materiei și prin capacitatea atomilor unei substanțe de a se combina cu un număr variabil de atomi ai unei alte substanțe. În același timp, Dalton a propus utilizarea conceptului de greutate atomică în chimie. Cunoscând greutățile atomice ale elementelor, se poate stabili măsura transformărilor chimice și raporturile chimice ale substanțelor, precum și întocmirea ecuațiilor cantitative ale reacțiilor. Pentru prima dată (1794), a efectuat cercetări și a descris un defect de vedere de care suferea el însuși - daltonismul, numit mai târziu daltonism în onoarea sa.

Timp de jumătate din viață, Dalton nu a avut idee că era ceva în neregulă cu viziunea lui. A studiat optica și chimia, dar și-a descoperit defectul datorită pasiunii pentru botanică. Faptul că nu a putut distinge o floare albastră de una roz l-a atribuit inițial confuziei în clasificarea florilor și nu deficiențelor în propria sa viziune. Dalton a observat că o floare care părea albastră în lumina soarelui (sau, mai degrabă, culoarea pe care el credea că este albastrul cerului) părea roșu închis la lumina unei lumânări. S-a întors către cei din jur, dar nimeni nu a văzut o transformare atât de ciudată, cu excepția fratelui său. Așa că Dalton și-a dat seama că era ceva în neregulă cu viziunea lui și că această problemă a fost moștenită. În 1995, au fost efectuate studii asupra ochiului conservat al lui John Dalton, care au arătat că acesta suferea de o formă rară de daltonism - deuteranopia. Deuteranopii au o lipsă de pigment M-con, ca urmare a faptului că bolnavii sunt relativ insensibili la lungimile de undă medii ale părții verzi a spectrului, dar în același timp percep partea cu unde scurte a spectrului ca fiind albastră și partea cu undă lungă ca galbenă.

Proprietățile amestecului depind de compoziția sa, care poate fi specificată căi diferite. Cel mai simplu și mai convenabil este să specificați compoziția masei, adică. Pentru fiecare gaz, fracția sa de masă din amestec este specificată:

Fracția molară este raportul dintre numărul de kilomoli ai unui gaz dat și numărul de kilomoli din întregul amestec:

unde m i este greutatea moleculară a i-a componentă.

mărimea

se numește greutatea moleculară aparentă a amestecului.

Adesea, compoziția amestecului este specificată prin fracțiuni de volum

unde V i este volumul parțial al componentei i, adică. volumul pe care l-ar ocupa un anumit gaz dacă presiunea lui nu ar fi p i , ci p SM (la aceeași temperatură T SM), .

Pentru o stare reală, relația dintre parametri este determinată de ecuația p i ×V CM =m i ×R i ×T CM, iar pentru o stare condiționată - p CM ×V i = = m i ×R i ×T CM. Din egalitatea laturilor din dreapta acestor ecuații rezultă p i ×V CM =p CM ×V i , din care găsim două formule importante:

Este important să se cunoască relațiile dintre mărimile g i, y i și r i. Pentru a găsi aceste relații, efectuăm următoarele transformări simple care nu necesită explicații suplimentare:

Aici 22,4 este volumul de 1 kmol al oricărui gaz în condiții normale, m 3 (conform legii lui Avogadro, majoritatea gazelor au acest volum, deși există mici abateri).

Fracție de volum

Deoarece părțile din dreapta ultimelor 2 formule sunt aceleași, putem concluziona că fracțiile molare sunt egale cu fracțiile de volum: y i = r i.

Obținem o altă relație ca aceasta:

Înlocuind y i cu r i , să-l scriem diferit:

r i ×m i =g i ×m SM.

Să însumăm formulele rezultate pentru toate cele n componente ale amestecului. Ca rezultat vom avea

deoarece .

Pe baza proprietății aditivității, se pot scrie următoarele formule pentru a calcula capacitatea termică a amestecului:

Valoarea constantei gazului se găsește în mod similar:

sau, ca pentru orice gaz, prin constanta universală a gazului după formula R CM = 8314/m CM.

Să aruncăm o privire mai atentă la cele două metode de amestecare cele mai tipice.

1. Amestecarea gazelor prin combinarea volumelor individuale. Să existe n gaze diferite situate în vase separate cu volume V 1, V 2, .... Parametrii fiecărui gaz sunt p 1, p 2, ... și T 1, T 2, ... Pentru a obține o amestec, aceste volume sunt combinate sau prin îndepărtarea pereților despărțitori sau prin utilizarea conductelor scurte cu o secțiune transversală suficient de mare. Ca rezultat al curgerii și difuziei gazelor după o anumită perioadă de timp, se obține un amestec omogen, a cărui masă și volum pot fi determinate prin simpla însumare:

unde este masa componentei i, R i este constanta sa de gaz.

La amestecare, nu se efectuează lucrări externe și nu are loc schimb de căldură extern (dl = 0, dq = 0), ceea ce înseamnă că energia internă a fiecărui gaz nu se modifică (du = 0). Prin urmare, energia internă a amestecului va fi suma energiei interne a componentelor sale, adică.

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

unde c Vi este capacitatea termică medie a componentei i-a în procesele izobare.

Să substituim expresiile date în formula originală:

și efectuați următoarele transformări: împărțiți ambele părți la m CM (în acest caz, în partea dreaptă obținem ), deschideți parantezele și scoateți-le din semnul sumei valoare constantă T0:

Dacă luăm în considerare faptul că , atunci după aducerea unor termeni similari formula va lua forma

Găsim presiunea amestecului din ecuația de stare a unui gaz ideal:

Să ne imaginăm că formarea amestecului are loc în două etape. În prima etapă, partițiile dintre componente devin elastice și conduc bine căldura. Apoi, ca urmare a deformărilor și a schimbului de căldură care se produce în mod reversibil, temperaturile și presiunile componentelor sunt egalizate (vor deveni egale cu p SM și T SM) și volumele de gaze se modifică. Entropia unei astfel de stări va fi

În a doua etapă, partițiile sunt îndepărtate. Apoi, ca urmare a difuziei, fiecare gaz se va răspândi în întregul volum, iar fiecare componentă va avea parametrii T CM și p i = r i × p CM, unde r i este fracția de volum a componentei. În acest caz, entropia unui amestec poate fi definită ca suma entropiilor componentelor:

Compararea acestor formule ne permite să găsim creșterea entropiei din cauza ireversibilității:

ceea ce face ușor de găsit pierderea performanței

Dl = T 0 × Ds REV.

Dacă, de exemplu, este necesar să se împartă amestecul în componente separate, atunci cel puțin va fi necesar să se cheltuiască munca Dl.

2. Amestecarea fluxurilor de gaz este o metodă de producere continuă a amestecurilor. Mai multe fluxuri de gaz sunt direcționate într-un canal de evacuare. Fie M i de gaz să curgă prin canalul i, kg/s, cu parametrii pi și Ti . Atunci debitul volumetric al acestui debit va fi

si viteza

La amestecarea fluxurilor, vitezele gazelor sunt mici și diferă puțin unele de altele. Prin urmare, diferența de viteze a gazului poate fi neglijată și se poate presupune că presiunile p i ale gazelor sunt practic aceleași și egale cu p SM.

Dacă presiunea este constantă și nu există schimb de căldură extern, va avea loc următorul echilibru entalpiic:

Deoarece pentru un gaz ideal h = с р ×(Т – Т 0), formula de mai sus poate fi scrisă după cum urmează:

Unde ; c pi este capacitatea termică izobară medie a componentei i-a.

Efectuând transformări similare celor anterioare, obținem

Acum puteți găsi debitul volumetric al amestecului și viteza acestuia în canalul de ieșire cu secțiune transversală F OUT.

Pentru a identifica caracteristicile condițiilor de aer umed, să realizăm mental următorul experiment. Să punem o cantitate mică de apă într-un volum închis cu aer uscat. Ca urmare a evaporării sale, se formează un amestec, care se numește aer umed. Dacă adăugați o cantitate mică de apă, concentrația și presiunea parțială a vaporilor vor crește după evaporare. Totuși, acest lucru va fi observat doar până când apare echilibrul dinamic între vapori și lichid, adică. până când aburul din amestec devine saturat cu o presiune de pH.

Cu suficientă precizie pentru practică, ambele componente ale aerului umed sunt considerate un gaz ideal. Ca și pentru orice amestec de gaze, în acest caz presiunea amestecului este determinată de suma presiunilor parțiale: p SM = p SV + p P.

De obicei, ai de-a face cu aerul umed atmosferic, atunci p CM este egal cu presiunea barometrică B, adică. r SV + + r P = V.

Masa de abur conținută în 1 m 3 de aer umed se numește umiditate absolută. Umiditatea absolută este egală cu densitatea vaporilor din aerul umed. Umiditatea absolută maximă a aerului umed saturat r" = 1/v".

Umiditatea relativă este raportul dintre umiditatea absolută și maximul posibil în aceleași condiții: j = r P /r”.

Aplicând ecuația de stare a gazului ideal pentru componenta de vapori, putem scrie

Relația rezultată este adesea luată ca definiție a lui j. De obicei, valoarea j este exprimată nu în acțiuni, ci ca procent. Umiditatea relativă a aerului saturat este de 100%. Valoarea j se măsoară cu ajutorul psihrometrelor sau higrometrelor.

Cel mai simplu psicrometru este format din două termometre cu alcool, unul este un termometru uscat obișnuit, iar al doilea are un dispozitiv de umidificare. Senzorul de temperatură al unui termometru cu bulb umed este învelit într-o cârpă de bumbac, care este plasată într-un recipient cu apă. Rata de evaporare a umidității crește pe măsură ce umiditatea relativă a aerului scade. Evaporarea umidității determină răcirea obiectului din care se evaporă umiditatea. Pe măsură ce senzorul de temperatură al termometrului umed se răcește, rata de evaporare a umidității scade până când, la o anumită temperatură, se atinge echilibrul dinamic - cantitatea de umiditate evaporată este egală cu cantitatea de umiditate condensată. Astfel, temperatura bulbului umed va oferi informații despre umiditatea relativă a aerului. Termometrele au gradări precise cu valori de diviziune de 0,2-0,1 grade. Un tabel psihometric poate fi inclus în designul dispozitivului pentru ușurință în utilizare.

Masa de aer umed situată într-un anumit volum V , determinat de suma maselor de aer uscat si abur

m BB = m C B + m P.

După împărțirea acestei formule la valoarea V obținem

r BB = r C B + r P.

Folosind ecuația de stare a aerului uscat și relațiile de mai sus, găsim

Să substituim valorile găsite în formula pentru densitatea aerului umed și după transformări simple obținem:

Rețineți acum că R B< R П, значит (1/R B – 1/R П) >0. Cantitatea B/(R B ×T) este egală cu densitatea aerului uscat la presiunea barometrică. Apoi concluzia rezultă din ultima formulă: densitatea aerului umed este mai mică decât densitatea aerului uscat la aceeași presiune (de obicei barometrică). Adevărat, diferența de densități este mică, așa că în calculele tehnice se iau de obicei r BB = r C B, deși, dacă este necesar, pot fi efectuate calcule mai precise folosind ultima expresie.

În calculele practice, parametrul aerului umed numit conținut de umiditate d este utilizat pe scară largă. Prin definiție, conținutul de umiditate este cantitatea de umiditate sau abur, kg (g), per kilogram de aer uscat:

Pentru volumul V mărimile m P = V × r P, m SV = V × r SV. Apoi

Raportul R SV /R P = 0,622, deci avem în sfârșit

Un parametru important al aerului umed este entalpia acestuia, care este suma entalpiei aerului uscat și a entalpiei aburului conținute în amestec:

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

Legăturile analitice dintre t, j, d și H sunt destul de complexe și adesea non-algebrice. Prin urmare, rezolvarea multor probleme este dificilă și necesită metode iterative. Pentru a simplifica și a facilita calculele, utilizați o diagramă specială H–d construită pentru presiunea B = 745 mm Hg. Artă. pe baza tabelelor de saturație și a formulelor de mai sus. Această diagramă este reprezentată într-o grilă de coordonate oblice:

Diagrama prezintă o grilă de drepte j = const, o grilă de izoterme t = const și linii Н = const, îndreptate la un unghi de 45° față de verticală. Prezența acestor grile face posibilă utilizarea oricăror doi parametri dați din lista de t, j, d și H pentru a găsi un punct pe diagramă și, prin urmare, ceilalți doi parametri necunoscuți.

În multe dispozitive tehnice, de exemplu, dispozitive cu jet de abur, încălzitoare cu abur de amestecare etc., se realizează amestecarea adiabatică (fără schimb de căldură extern) a fluxurilor de vapori de apă, în urma căreia parametrii de abur ai fluxurilor inițiale suferă modificări.

Deci, să fie două (pentru simplitatea raționamentului) fluxuri de abur cu debite de masă M 1 și M 2 și parametrii de abur p 1, v 1, t 1, h 1, s 1 și p 2, v 2, t 2, h 2, s 2 se amestecă în cameră și se lasă cu parametrii p CM, v CM, t CM, h CM, s CM. Este necesar să se determine parametrii amestecului.

Este clar că debitul masic al fluxului de ieșire va fi M SM = = M 1 + M 2, iar fracțiile de masă g 1 și g 2 sunt o pereche de fluxuri corespunzătoare

Problema pusă este destul de simplu de rezolvat folosind diagrama h–s a apei și aburului. Folosind parametrii dați p 1, t 1 și p 2, t 2, găsim punctele 1 și 2 pe diagramă Dacă procesul de amestecare are loc într-un mod reversibil, atunci entropia specifică a amestecului este CM, ca valoare aditivă. , va fi determinată de suma s CM = g 1 ×s 1 + g 2 ×s 2, reflectând condiția de reversibilitate:

Vom găsi parametrii amestecului rezultat prin conectarea punctelor 1 și 2 și determinând poziția punctului 3 în raport cu segmentele l 13 și l 32, a căror lungime este determinată de relația

Să demonstrăm că o astfel de proporție satisface atât condiția de reversibilitate, cât și ecuația de echilibru termic h SM = g 1 ×h 1 + g 2 ×h 2 .

Din asemănarea triunghiurilor 1a3 și 3b2 rezultă o relație simplă

de unde il luam?

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, ceea ce înseamnă

h 3 = h SM = h 1 ×g 1 + h 2 ×g 2.

În mod similar, analizând relațiile dintre segmentele l 1 a și l 3 b, se poate verifica dacă și condiția de reversibilitate este îndeplinită.

În realitate, procesul de amestecare este un proces ireversibil și, în conformitate cu a doua lege a termodinamicii, entropia amestecului este mai mare decât entropia ambelor fluxuri înainte de amestecare:

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

În mod obișnuit, presiunile aburului la intrările și ieșirile din camera de amestec sunt foarte apropiate și pot fi considerate la fel, de exemplu. punctele 1, 2 și 3 H se află pe aceeași izobară:

Dacă, în timpul unei astfel de amestecări, căldura este furnizată sau îndepărtată, atunci entalpia și entropia amestecului se vor schimba suplimentar. Deoarece schimbul de căldură are loc aici la p=const, valoarea entalpiei se va modifica cu cantitatea de căldură implicată în schimbul de căldură, Dh = q:

Metoda prezentată face posibilă determinarea parametrilor stării amestecului chiar și atunci când amestecați mai multe fluxuri de abur. În acest caz, starea aburului este mai întâi determinată la amestecarea a două fluxuri, apoi în mod similar la amestecarea amestecului rezultat cu un al treilea flux etc.

Fracții de masă fiecare dintre componentele oricărui amestec va fi determinată de valorile debitelor masice M 1 și M 2 ale primului și celui de-al doilea flux. Conținutul de umiditate d și entalpia h sunt parametri aditivi, deci putem scrie

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

deoarece g 1 + g 2 = 1.

Valorile lui d 1, d 2, h 1, h 2 pot fi determinate din diagrama h–d pe baza temperaturilor date t 1 și t 2 și umidității relative j 1 și j 2:

Pe diagramă, pe lângă punctele 1, 2 și 3, care afișează parametrii fiecăruia dintre debite și amestecul rezultat, sunt reprezentate punctele 4, 5 și 6, care sunt necesare pentru raționamentul suplimentar.

Parametrii amestecului pot fi determinați fără a recurge la calcule. Pentru a face acest lucru, trebuie să trasați o linie dreaptă prin punctele 1 și 2 și să găsiți poziția punctului 3, folosind relația obținută anterior

Să efectuăm cele mai simple transformări prin înlocuirea valorii lui h CM:

Rămâne de demonstrat că, cu o astfel de împărțire a segmentului 1–2, valoarea lui d CM va fi de asemenea determinată corect. Pentru a face acest lucru, notăm raporturile dintre laturile triunghiurilor selectate și înălțimile lor, ținând cont de faptul că aceste înălțimi sunt determinate de diferențele de conținut de umiditate d:

De aici vom găsi

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.

Ultima formulă corespunde pe deplin proprietății de aditivitate.