Уравнение руша показывает зависимость между чем

Уравнение руша показывает зависимость между чем

Как и для других газов, теплоемкость пара возрастает с повышением температуры. В небольшом диапазоне температур 100—150° С при постоянном давлении она может быть в среднем принята 2 кДж/(кг-К)[0,48 ккал/(кг-° С)]. Энтальпия сухого насыщенного пара при давлении 0,1 МПа и температуре 99,6° С составляет 2675 кДж/кг (639,0 ккал/кг) (см. 1).

Для перегретого пара, подчиняющегося уравнению (1), применительно к условиям сушки, в том числе для выявления гигроскопических характеристик материалов, высушиваемых в среде перегретого пара, желательно ввести параметр — степень насыщенности пара или, более кратко, насыщенность пара Ф, получаемую из соотношения

Для перегретого пара барометрического давления, при />99,6° С, применяемого в сушильных камерах, когда рп= 1 бар, формула (3) примет вид: ф=1/рн (здесь рн т.акже в барах).

§ 1. Физические свойства водяного пара. Сушильным агентом называются нагретые водяной пар атмосферного давления, воздух и продукты сгорания (топочные газы).

Эта среда называется агентом сушки или сушильным агентом.
Агентами сушки могут быть атмосферный воздух, топочные газы, водяной пар и их смеси, а в некоторых случаях
С изменением влажности древесины связаны такие ее свойства, как усушка и разбухание.

Рассмотрим наиболее важные свойства водяного пара, имеющие значение при сушке древесины.
В качестве сушильного агента используют перегретый пар, температура которого должна быть выше 100° С.

Свойства пара: высокая подвижность, малая плотность
Подытожим сравнительные достоинства и недостатки теплоносителей — воды, водяного пара и атмосферного воздуха.
В качестве теплоносителя или сушильного агента чаще всего используются топочные газы с.

§ 1. Физические свойства водяного пара. § 2. Параметры воздуха как сушильного агента.
Эффективность использования тепловой энергии топлива. § 20. Классификация и особенности лесосушильных установок.

§ 2. Параметры воздуха как сушильного агента.
Влагоемкость пространства (масса пара в 1 м3) — очень важное свойство пара — увеличивать плотность в результате подогрева; оно положено в основу процесса сушки.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ВОДЯНОЙ ПАР

Основные понятия и определения.

Водяной пар применяется в качестве рабочего тела в паровых турбинах, которые являются в настоящее вре­мя основными тепловыми двигателями на тепловых элек­трических станциях.

Как теплоноситель водяной пар широко используется в технологических процессах многих отраслей народного хозяйства: энергетики, химической технологии, машино­строении и т. д.

Водяной пар применяется в различных состояниях в весьма широком диапазоне давлений и температур и часто переходит в жидкое состояние — конденсируется. В этих условиях нельзя пренебрегать силами взаимо­действия между молекулами и объемом самих молекул и, следовательно, к водяному пару нельзя применять законы идеальных газов и уравнение Менделеева — Клапейрона.

При различных расчетах и изучении процессов, про­текающих в водяном паре, используются таблицы водя­ного пара, которые составлены на основании большого экспериментального материала и теоретических исследований. Табличный метод расчетов тепловых процессов достаточно сложен, поэтому на практике широко применяется графический метод с ис­пользованием i- s-диаграммы. В нашей стране наиболее широкое практическое применение имеют таблицы, со­ставленные под руководством М. П. Вукаловича.

Разделение вещества на газ и пар условно, так как между ними не существует какой-либо границы. Паром называется всякий реальный газ, который в условиях его применения способен переходить в жидкость. Такие га­зообразные вещества имеют относительно высокие кри­тические температуры. Всякий реальный газ, который в обычных условиях его применения не переходит в жид­кое состояние, сохраняет название газа; такие газооб­разные вещества имеют низкие критические темпера­туры.

Процесс перехода жидкости в пар называется паро­образованием, этот процесс может происходить пу­тем испарения и кипения. При испарении образова­ние пара происходит только со свободной поверхности жидкости; этот процесс протекает при любых темпера­турах жидкости и может сопровождаться понижением ее температуры. Интенсивность испарения зависит от физических свойств жидкости и возрастает с повыше­нием ее температуры. Бурный процесс парообразования, сопровождающий­ся возникновением пузырьков пара по всему объему жидкости, называется кипением. Кипение жидкости происходит при постоянном давлении и при соответст­вующей ему постоянной температуре, которая называ­ется температурой кипения или насыщения и обозначается t_s. Для всех жидкостей температура ки­пения повышается с увеличением давления, зависи­мость между ними находится из опыта и в общем слу­чае выражается уравнением t_s=f(p). Для различных жидкостей и воды имеется большое количество эмпири­ческих уравнений, позволяющих приближенно устано­вить зависимость t_s=f(p). В качестве примера для во­ды можно привести уравнение Руша:

где: Р- абсолютное давление, кгс/см 2 .

Для давлений ниже 50 кгс/см 2 значение t_н, найден­ное по формуле Руша, отличается от действительных значений не более чем на 1%, с повышением давлений расхождение увеличивается. При точном определении температуры кипения необходимо пользоваться табли­цами. Все параметры кипящей жидкости принято обо­значать соответствующей буквой со штрихом, например: удельный объем v’, энтальпия i’, энтропия s’ и т. д.

Насыщенным паром называется пар, находящий­ся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Это значит, что в закрытом сосуде число молекул пара, по­ступающих в пространство над кипящей жидкостью, равно числу молекул, возвращающихся обратно в жид­кость. Такое подвижное равновесие обусловливается хаотичностью движения молекул и силами взаимодейст­вия между молекулами пара и жидкостью вблизи ее по­верхности.

Если при постоянном давлении к кипящей жидкости подвести необходимое количество теплоты для испаре­ния всей жидкости, то в момент исчезновения последних капель жидкости (воды) получим сухой насыщен­ный пар при температуре кипения t_н— Сухой насыщен­ный пар является неустойчивым состоянием и получается в парогенераторах как мгновенное состояние при перехо­де в перегретый пар. Состояние сухого насыщенного пара определяется одним параметром: давлением или темпе­ратурой насыщения t_s. Все параметры сухого насыщен­ного пара обозначаются соответствующими буквами с двумя штрихами, например: удельный объем v», эн­тальпия i», энтропия s» и т. д.

При кипении жидкости вместе с пузырьками пара выносятся мельчайшие частицы влаги. Получающаяся смесь пара и жидкости называется влажным насы­щенным паром, причем частицы жидкости равно­мерно распределены по всему объему пара.

Состояние влажного насыщенного пара определяется давлением р и степенью сухости х или температурой кипения t_K и степенью сухости х. Степенью сухо­сти х называется массовая доля сухого пара, содержащегося во влажном паре:

где: m_cyx и т_ж — соответственно масса сухого пара и жидкости, находящихся в 1 кг смеси; т_вл — масса 1 кг влажного пара.

Для сухого пара х=1, для кипящей жидкости х=0. Массовая доля жидкости, содержащейся во влажном паре, называется степенью влажности и обозна­чается y=1—х. Все параметры влажного пара (кроме дав­ления и температуры) обозначаются с индексом х, на­пример: удельный объем v_x, энтальпия i_x, энтропия s_x и т. д.

Перегретым паром называется пар, который при одинаковом давлении с насыщенным, имеет более высо­кую температуру, чем температура кипения i_n. Состоя­ние перегретого пара определяется любыми двумя па­раметрами, наиболее часто — давлением и температурой. Процесс перехода насыщенного пара в жидкость назы­вается конденсацией. Этот процесс является обрат­ным процессу парообразования и также происходит при постоянном давлении и соответствующей ему постоян­ной температуре, равной температуре кипения t_n при том же давлении.

Основные процессы водяного пара

Основными процессами являются: изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный. Каждый из этих процессов может протекать целиком в области влажно­го или перегретого пара, т. е. без изменения агрегатного состояния. Но процесс может протекать и таким обра­зом, что, например, в начальном состоянии пар будет влажный, а в конечном состоянии — перегретый (или наоборот). Этот, более общий случай и будет рассматри­ваться ниже.

Так как водяной пар не подчиняется законам идеальных газов, полученные соотношения меж­ду параметрами и уравнения для подсчета теплоты, из­менения внутренней энергии и работы применительно к идеальным газам, для пара непри­менимы.

При решении задач с использованием таблиц необхо­димо сначала установить состояния рабочего тела в на­чале и в конце процесса. Для определения состояния рабочего тела при заданном давлении сравнивают лю­бой известный параметр (р, i, s, t) с соответствующим параметром сухого насыщенного пара.

1.5. Поверхностное натяжение растворов и адсорбция

Свободная поверхностная энергия самопроизвольно может только уменьшаться, что проявляется в уменьшении либо поверхности раздела фаз, либо межфазного (поверхностного) натяжения. Поверхностное натяжение может уменьшаться в результате самопроизвольного перераспределения компонентов системы между объемами фаз a и b и поверхностью их раздела. В поверхности раздела фаз будут преимущественно концентрироваться те компоненты, которые способны уменьшать избыточную свободную поверхностную энергию. Это явление получило название «адсорбция». Количественно мерой адсорбции служит избыток вещества в поверхностном слое определенной толщины по сравнению с его количеством в таком же слое в объеме фазы. Этот избыток обычно относят к единице площади поверхности (или к единице массы адсорбента). Такая адсорбция называется гиббсовской и обозначается буквой Г_i. Поверхностный избыток является алгебраической величиной. Если он положителен, то вблизи поверхности данный компонент присутствует в избытке, если отрицателен, то концентрация компонента на поверхности фазы ниже, чем в ее объеме .

Рассмотрим распределение в системе i -го компонента, предполагая, что это вещество способно понижать поверхностное натяжение. В соответствии с уравнением (1.1.6) число молей n вещества i-го компонента в системе определяется как .

Количество вещества в обеих фазах составляет

. (1.1.81)

где С a , С b — концентрация вещества в фазах a, b.

Количество вещества на поверхности раздела фаз , избыточное по отношению к объемам фаз V a и V b , оказывается зависимым от положения разделяющей плоскости, так как концентрации вещества в различных фазах не равны, .

Учитывая уравнение (1.1.81) ,

. (1.1.82)

Разделив выражение (1.1.82) на площадь поверхности раздела фаз А, можем определить гиббсовскую адсорбцию:

. (1.1.83)

Фундаментальным уравнением физической химии поверхностей является взаимосвязь между адсорбцией и межфазным натяжением, которую можно определить экспериментально при одновременном изменении многих факторов. Остановимся на системах, в которых адсорбция протекает при постоянной температуре. Связь между адсорбцией и межфазным натяжением при постоянной температуре T называется изотермой адсорбции, фундаментальное уравнение которой известно как уравнение Гиббса. Рассмотрим его вывод.

При небольшом обратимом изменении энергии системы dU с учетом формулы (1.1.4) можем написать

, (1.1.84)

где U – полная внутренняя энергия системы; U a , U b , U s – внутренняя энергия фаз aиb и поверхности их раздела; P a , P b — давление в фазах aиb; m — химический потенциалi-того компонента; S a , S b , S s – энтропия фаз a иb и их поверхности раздела; s — поверхностное натяжение.

Поскольку из курса химической термодинамики известно, что

(1.1.85)

, (1.1.86)

. (1.1.87)

Если энергию, энтропию и количество компонентов увеличивать от нуля до некоторого определенного значения при постоянстве температуры T, площади поверхности раздела фаз A и количестве вещества на этой поверхности , то уравнение (1.1.87) переходит в общее уравнение

, (1.1.88)

дифференцирование которого приводит к выражению

. (1.1.89)

Сравнивая его с уравнением (1.1.88), получаем

. (1.1.90)

В расчете на единицу поверхности

, (1.1.91)

где – гиббсовская адсорбция; – удельная энтропия поверхностного слоя.

. (1.1.92)

Для двухкомпонентной системы

, (1.1.93)

где индекс 1 относится к растворителю, а индекс 2 – к растворенному веществу.

Рис. 1.15. Схема реальной (I) межфазовой области и идеальной (II) и (III) разделяющей межфазовой поверхности (поверхности Гиббса)

Разделяющая поверхность Гиббса может быть проведена так, чтобы обратилась в нуль адсорбция любого наперед заданного компонента, но только одного, как это показано на рис. 1.15.

Расстояние между двумя плоскостями (разделяющими поверхностями), одна из которых соответствует условию Г_j = 0, а другая — Г_k = 0, обозначим d_kj:

, (1.1.94)

где Г_k, Г_j– избытки рассматриваемых компонентов в поверхностном слое ; C_k a , C_k b , C_j a , C_j b – концентрация компонентов k и j в фазах a и b; z_k, z_j – координаты разделяющей поверхности.

Поскольку значения Г₁ в уравнении (1.1.93) определены относительно произвольно выбранного положения разделяющей плоскости, то ее можно расположить так, чтобы избыток растворителя в поверхностном слое был равен нулю ( Г₁ = 0).

, (1.1.95)

где верхний индекс 1 означает, что для выбранной поверхности раздела Г₁=0.

, (1.1.96)

получаем после дифференцирования уравнения (1.1.96)

, (1.1.97)

где — активность растворенного вещества.

Поэтому, подставляя уравнение (1.1.97) в уравнение (1.1.95), получаем

. (1.1.98)

Из уравнения (1.1.98) следует, что если , то адсорбция положительна, а при возникает дефицит растворенного вещества на разделяющей поверхности .

Поскольку , где g – коэффициент активности, который для разбавленных растворов стремится к единице, то и

. (1.1.99)

Уравнение (1.1.99) представляет собой наиболее употребляемую форму изотермы адсорбции Гиббса, причем так как рассматривается адсорбция именно растворенного вещества, индексы при адсорбции и концентрации опускают, т.е.

. (1.1.100)

Исследования показывают, что существуют такие вещества, растворение которых приводит к резкому снижению поверхностного натяжения раствора. Эти вещества называют поверхностно-активными. В соответствии с уравнением Гиббса адсорбция их всегда положительна, т.е. концентрация в поверхностном слое выше объемной концентрации. По предложению Ребиндера мера поверхностной активности обозначается первой буквой фамилии Гиббса. Обычно используют значения поверхностной активности в бесконечно разбавленных растворах

. (1.1.101)

К классу поверхностно-активных веществ (ПАВ) относятся жирные кислоты и их соли (мыла), сульфокислоты, их соли, спирты, алкилсульфоэфиры и др. Если , то Г >1, то единицей в уравнении Шишковского (1.1.105 ) можно пренебречь, тогда

. (1.1.106)

Обозначим постоянной В постоянные при изотермических условиях величины , тогда

. (1.1.107)

Следовательно, при относительно высокой концентрации растворов ПАВ их поверхностное натяжение должно уменьшаться экспоненциально с увеличением концентрации.

Уравнение (1.1.107) может быть получено непосредственно из уравнения изотермы адсорбции Гиббса:

.

При достаточно высокой концентрации растворенного вещества адсорбция достигает предела , т.е. Г = Г_max , поэтому

, (1.1.108)

где при постоянной температуре правая часть представляет собой постоянную величину и может быть обозначена RT Г_max = A. Следовательно,

,

откуда после интегрирования получаем

. (1.1.109)

Таким образом, уравнение Шишковского может быть выведено из уравнения Гиббса, так как уравнения (1.1.107) и (1.1.109) идентичны. Точность уравнения Шишковского связана с тем, что в нем уже заложено условие насыщения адсорбционного слоя.

Если уравнение Шишковского в форме

(1.1.110)

, (1.1.111)

и подставить в уравнение Гиббса величину

, (1.1.112)

то уравнение изотермы адсорбции примет вид

. (1.1.113)

В такой форме уравнение изотермы адсорбции носит название изотермы Ленгмюра. Американский ученый И. Ленгмюр в 1917 г. развил представление о мономолекулярной адсорбции и на основании молекулярно- кинетической теории получил уравнение (1.1.113) .

Уравнение Шишковского позволяет определить предел адсорбции (при Kc>>1), так как в таком случае это уравнение принимает вид

. (1.1.114)

Рис. 1.16. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации растворов ПАВ в координатах уравнения Шишковского

Построив график , как это показано на рис. 1.16, по углу наклона можно определить предел адсорбции, а по отрезку, отсекаемому наклонной линией на оси ординат при ln c = 0, рассчитать постоянную равновесия процесса адсорбции K.

Понимание адсорбционных процессов имеет чрезвычайно важное значение, так как они лежат в основе многих процессов, протекающих на границе раздела фаз, например крашения, отмывания загрязнений, отделки текстильных материалов и т.д., т.е. в основе всех коллоидно -химических процессов на границе жидкость–газ.