Законы термодинамического равновесия

определяют условия, при которых процесс переноса массы, энергии и импульса приходит к своему завершению (состоянию равновесия). Знание условий равновесия позволяет определить направление процесса переноса, границы его течения, рассчитать движущую силу процесса.

Законы переноса массы, энергии и импульса

определяют плотность потока любой из этих субстанций в зависимости от градиента сопряженного с ней потенциала переноса. Потенциалом в случае переноса массы является плотность или концентрация ; переноса энергии - энтальпия , в случае переноса импульса – количество движения единицы объема жидкости ( ).

Таким образом, законы сохранения энергии определяют интенсивность протекания химико-технологических процессов и, в конечном счете, – производительность используемых аппаратов.

Эти законы являются теоретической основой всех технологических процессов – гидромеханических, тепловых, массообменных.

Субстанция (масса, энергия, импульс) проходит через границу области пространства, в пределах которой они могут изменяться. Эту область называют контрольным объемом, а ограничивающую поверхность – контрольной поверхностью. На эту область могут действовать внешние силы. Размеры области могут быть конечными или бесконечными. Для полного определения задают систему координат, по отношению к которой он движется или покоится.

Закон сохранения массы

-сумма масс всех компонентов равна массе всей системы .

Закон сохранения энергии

( количества движения).

.( первый закон термодинамики)

Законы равновесия

Основной задачей химико-технологических процессов является направленное изменение макроскопических свойств веществ, состава, агрегатного состояния, и . Для этого на систему воздействуют подачей или отводом тепла, внешними силовыми полями, давлением, что приводит к переносу субстанций – массы, энергии, импульса. Предельным состоянием системы является подвижное равновесие.

Условия термодинамического равновесия

В процессе переноса тепла (тепловое равновесие) условие равновесия определяется простым измерением соприкасающихся фаз.

При переносе импульса (механическое равновесие) условие равновесия определяется измерением давления в соприкасающихся фазах.

Намного сложнее определение равновесия в процессах переноса массы. В замкнутой системе, которая состоит из двух и более фаз, переход возникает самопроизвольно и протекает до тех пор, пока не установится подвижное равновесие. Когда система достигла равновесия, она может находиться в нем сколь угодно долго, пока какое-либо воздействие не выведет её из данного состояния.

Таким образом, равновесное состояние изолированной системы определяется только внутренними условиями:

; ; , где температура, Р – давление, химический потенциал i-го компонента

Все самопроизвольные процессы протекают в направлении достижения состояния равновесия. Чем больше система отклоняется от равновесия, тем выше скорость переноса субстанций. На практике: к открытым системам подводят вещество или энергию, тем самым осуществляют процесс переноса.

Законы переноса количества движения (импульса), энергии (теплоты) и массы

В химической технологии процессы переноса наиболее часто протекают в жидких, газовых и паро-газовых фазах при их движении или перемешивании. Скорость переноса зависит от гидродинамических условий в аппарате. Поэтому рассмотрим некоторые понятия гидравлики.

Гидравлика

- наука, изучающая законы равновесия и движения различных жидкостей.

Гидравлика подразделяется на гидростатику (изучает законы равновесия жидкости в состоянии покоя) и гидродинамику (изучает законы движения жидкости ). (жидкости - это газы, пары, жидкости), то есть все вещества обладающие текучестью.

Идеальная жидкость - абсолютно несжимаемая жидкость, не обладающая вязкостью.

Реальные жидкости - капельные и упругие. Капельные жидкости можно считать практически несжимаемыми.