Студопедия — Закони зберігання маси та енергії в умовах рівноваги систем
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Закони зберігання маси та енергії в умовах рівноваги систем






Для розглядання питань рівноваги необхідно уточнити виз­начення поняття система. Фізичною або хімічною системою на­зивають сукупність взаємодіючих тіл. Якщо ця взаємодія визна­чається фізичними закономірностями, то розуміють фізичну сис­тему, хімічними — хімічну систему і т.д.

Біологічною системою в залежності від рівня розглядання жи­вої природи звичайно називають сукупність взаємодіючих моле­кул в клітині (клітинно-молекулярний рівень), клітин в організмі (організменний рівень), організмів в популяції (популяційний рівень) та різних популяцій в навколишнім середовищі (біогеоце-нологічний). Відносно до технології очевидно має сенс ввести по­няття біохімічної системи, під якою належить розуміти су­купність взаємодіючих тіл (мікроорганізмів та компонентів) се­редовища, які підлягають законам біохімічних перетворень.

Технологічною системою можна називати сукупність вико-нуємих в певній послідовності технологічних операцій над пере-роблюємим продуктом. Технологічну систему можна сформува­ти із різних окремих елементів в різній комбінації, але при цьому повинна бути чітко сформульована технологічна мета системи у вигляді кількісних та якісних характеристик.

Закони рівноваги систем пристосовані до фізичних, хімічних та біологічних систем. Системи, які знаходяться в рівновазі, не змінюють свого стану протягом часу. Стан системи визначається її відстанню від стану рівноваги. Наприклад, при взаємодії су­шильного агенту і висушуємого матеріалу найбільша швидкість сушіння має місце при найбільших значеннях вологості матеріалу та найменшому вологоутриманні сушильного агенту, тобто при найбільшому віддаленні від кривої рівноваги стану. Для виводу системи з рівноваги необхідно на неї якимось чином вплинути зовні шляхом зміни температури, тиску, концентрації та інше.

Всі хіміко-технологічні процеси діляться на зворотні та незво-ротні. Незворотні процеси перебігають лише в одному напрямку. Більшість процесів технології є незворотними або проходять при таких технологічних режимах, при яких процеси можуть пе-

ребігати тільки в одному напрямку (сушіння, ректифікація, ад­сорбція, подрібнення, пресування і ін.). Інші процеси є зворотни­ми (абсорбція, кристалізація) навіть при прийнятих техно­логічних режимах. Хімічні реакції, як правило, зворотні в тому відношенні, що в залежності від умов вони можуть перебігати як в прямому, так і в зворотному напрямі. Проте в умовах вироб­ництв багато хімічних реакцій практично незворотні. Напри­клад, реакція, яка проходить при гасінні вапна

практично незворотна. Незворотним є також багато складних реакцій, які уявляють собою сукупність ряду стадій. Наприклад, реакція бродіння

В гетерогенних системах зворотними називають такі процеси, в яких можливий перехід речовини або енергії (теплоти) як із однієї фази в іншу, так і навпаки. Всі зворотні хіміко-технологічні процеси проходять як правило поблизу стану рівноваги та на­ближаються або прямують до рівноваги, при якій швидкості пря­мого та зворотного процесів вирівнюються, в результаті чого співвідношення компонентів у взаємодіючій системі залишається незмінним, поки не зміняться зовнішні умови. При зміні темпера­тури, тиску або концентрації одного з компонентів рівновага по­рушується і в системі самочинно проходять дифузійні та хімічні процеси, які ведуть до відновлення рівноваги в нових умовах. До хімічної рівноваги можливо вжити другий закон термодинаміки в загальному виді, тобто однією із умов хімічної рівноваги в ізо­льованій системі є максимум ентропії S. Подальший приріст ент­ропії обов'язковий для всіх самочинних процесів в стані рівнова­гий, не проходить, тобто dS = 0.

Закономірності рівноваги дозволяють визначити лише макси­мально можливий (теоретичний) вихід продукту. Проте теоре­тичний вихід у виробничих умовах звичайно не досягає через зменшення сумарної швидкості різних перетворень (хімічних,

біохімічних та інших

за мірою зниження величини рухомої сили. В незворотних процесах, тобто при v = 0, швидкістьреакції прямує до нуля при повному витраченні одного з початкових реагентів. В зворотних процесах (v 0) при

тобто при досягненні рівноваги. Наприклад, швидкість техно­логічного процесу по цільовому продукту при хімічних перетво­реннях є результуючою швидкістю прямої, зворотної та побічних

реакцій, а також дифузії початкових речовин в зону реакції та продуктів із цієї зони.

Вплив основних параметрів технологічного режиму на рівно­вагу в гомогенних та геторогених системах визначається принци­пом Ле-Шателье, який визначає другий закон термодинаміки. В системі, виведеної зовнішніми діями із стану рівноваги, прохо­дять зміни, спрямованні на послаблення дій, які виводять систе­му з рівноваги. Для прикладу розглянемо використання принци­пу Ле-Шательє до екзотермічної оеакітії синтезу

- кількість молей речовин А, В та D;

Q — тепловий ефект реакції. Позначаючи об'єми речо­вин через v, припустимо, що реакція йде зі зменшен­ням об'єму, тобто

исновні умови, які впливають на кількість одержаного про­дукту, — температура t, тиск Р та концентрація С (співвідношен­ня в реакційному об'ємі) реагуючих речовин СА, СВ і CD. Для зрушення рівноваги вправо, тобто збільшення кількості продук­ту (підвищення рівноваги виходу), відповідно з принципом Ле-Шателье необхідно понизити температуру t та концентрацію продукту С, тобто вивести продукт із реакційної зони, а також збільшити тиск Р та концентрації початкових речовин СА і СВ в рекційній зоні. При чому підвищення СА буде сприяти більш по­вному перетворенню речовин, а також підвищенню СВ, тобто сприяти більш повному перетворенню речовини А. Ці обставини використовують в харчовій промисловості, наприклад, при випічці мучних кондитерських виробів з бездріжджевого тіста для його розпушення використовують хімічну реакцію між ли­монною кислотою та содою

и poj^jibictii лкиї виділиться вуглекислий газ, який розпушує тісто. Реакція повинна проходити при надлишку соди, тобто при­сутність кислоти, яка погіршує якість тіста, небажана.

В гетерогенних екзотермічних процесах абсорбція якого-не-будь компоненту газової суміші рідиною відповідно з принципом Ле-Шательє рівноважна концентрація газу в рідині або рівно­важна ступінь абсорбції газового компоненту (вихід продукту) збільшується при зниженні температури та підвищенні загально­го тиску, а також при зменшенні парціального тиску поглиненого

компоненту над рідиною. Зменшення парціального тиску над рідиною може бути досягнене при виведенні продукту із зони аб­сорбції. Наприклад, осадження його у вигляді твердих кристалів. Підвищення концентрації (парціальний тиск) поглинаємого ком­поненту в суміші збільшує рівноважну концентрацію його в рідині, але степінь абсорбації може не з мінюватись.

Розчинність кристалічних речовин в рідині відповідно з прин­ципом Ле-Шателье підвищується з підвищенням температури, якщо цей процес є ендотермічним, оскільки енергія, яка витра­чається на руйнування кристалічних ґраток, більше теплоти

сільвації молекул.

Константа рівноваги служить кількісною мірою встановлен­ня рухомої рівноваги та визначається взагалі як величина термо­динамічна. Проте її можна одержати також із закону дії мас, згідно з яким швидкість діючої реакції в даний момент часу пря­мо пропорціональна добутку молярних концентрацій реагуючих речовин. Для реакції синтезу швидкість прямої реакції

А швидкість зворотної реакції

— константи швидкостей прямої та зворотної реакцій;

— молярні концентрації (або парціальні тиски) реагую­чих компонентів в даний момент часу, тобто величи­ни, змінні в часі. Константа рівноваги К обчис­люється як відношення константи швидкості прямої пеакції до зворотної при рівновазі, тобто при рівності

- концентрації або парціальні тиски реагуючих компонентів в стані рівноваги. Для газів константу рівноваги можна виразити через парціальні тиски реагуючих компонентів Рі, кон-Центоашї компонентів Сі (наприклад, в моль/ ) та нарешті через

їх мольні частки Ni. Відповідно одержують константи рівноваги, які позначують Кр, Кс, Кn. Вони пов'язані між собою рівнян­нями

Де p- загальний тиск газової суміші;

— приріст числа молей газів після реакції.

Для модельної реакції

Для одержання безрозмірних значень константи рівноваги в формулу підставляють відносні величини. Наприклад, відношен­ня дійсних парціальних тисків до стандартних, рівним 0,1 МПа. Для розчинів користуються мольними концентраціями, або ж концентраціями іонів. Рівняння для обчислення рівноваги не го­диться, оскільки рівноваги концентрацій звичайно не відомі і визначаються тільки при відомих початкових концентраціях. Чи­сельні значення констант рівноваги для різних реакцій визнача­ються дослідами або розраховуються аналітично в залежності від температури та тиску, наведено у вигляді таблиць, номограм в довідниках. Для їх визначення за дослідними даними константи виражають через вихід продукту.

Використовуючи принцип Ле-Шательє до конкретних про­цесів, можна встановити величину зміни параметрів, які не­обхідні для виміру стану системи.

Використовуючи правило фаз Гібса

можна встановити кількість змінних (число ступенів свободи S), які визначають рівновагу системи при числі компонентів системи K та числі

фаз f

Дисципліна "Процеси та апарати" вивчає рівновагу одинич­них процесів та встанавлює правила побудови ліній рівноваги та ліній робочих концентрацій. В біохімічних процесах проявлення законів рівноваги має свої особливості, які будуть розглянуті при аналізі кінетики біохімічних реакцій.







Дата добавления: 2015-10-12; просмотров: 1450. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Кардиналистский и ординалистский подходы Кардиналистский (количественный подход) к анализу полезности основан на представлении о возможности измерения различных благ в условных единицах полезности...

Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями...

Композиция из абстрактных геометрических фигур Данная композиция состоит из линий, штриховки, абстрактных геометрических форм...

Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени...

Кишечный шов (Ламбера, Альберта, Шмидена, Матешука) Кишечный шов– это способ соединения кишечной стенки. В основе кишечного шва лежит принцип футлярного строения кишечной стенки...

Принципы резекции желудка по типу Бильрот 1, Бильрот 2; операция Гофмейстера-Финстерера. Гастрэктомия Резекция желудка – удаление части желудка: а) дистальная – удаляют 2/3 желудка б) проксимальная – удаляют 95% желудка. Показания...

Ваготомия. Дренирующие операции Ваготомия – денервация зон желудка, секретирующих соляную кислоту, путем пересечения блуждающих нервов или их ветвей...

Функциональные обязанности медсестры отделения реанимации · Медсестра отделения реанимации обязана осуществлять лечебно-профилактический и гигиенический уход за пациентами...

Определение трудоемкости работ и затрат машинного времени На основании ведомости объемов работ по объекту и норм времени ГЭСН составляется ведомость подсчёта трудоёмкости, затрат машинного времени, потребности в конструкциях, изделиях и материалах (табл...

Гидравлический расчёт трубопроводов Пример 3.4. Вентиляционная труба d=0,1м (100 мм) имеет длину l=100 м. Определить давление, которое должен развивать вентилятор, если расход воздуха, подаваемый по трубе, . Давление на выходе . Местных сопротивлений по пути не имеется. Температура...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.007 сек.) русская версия | украинская версия