Процессы и аппараты упаковочного производства

УСЛОВИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ

. ювия равновесия в процессах переноса теплоты (теплового ишовесия) определяют сравнительно простыми измерениями тем-' ратур соприкасающихся фаз (см., например, рис. 1-3). Механи- кое равновесие (при переносе импульса) обнаруживают по равен -

25

Ству непосредственно измеренных давлений в соприкасающихся фазах. Намного сложнее определение условия равновесия системы в процессах переноса массы. Поэтому здесь данному виду равно­весия будет уделено основное внимание.

Процесс перехода массы из одной фазы в другую в изоли­рованной замкнутой системе, состоящей из двух или большего числа фаз, возникает самопроизвольно и протекает до тех пор, пока между фазами при данных условиях (температуре и давлении) установится подвижное фазовое равновесие. Оно характеризуется тем, что в единицу времени из первой фазы во вторую переходит столько же молекул компонента, сколько из второй в первую (т. е. преимущественного перехода вещества из одной фазы в другую нет). Достигнув состояния равновесия, система может находиться в нем без количественных и качественных изменений сколь угодно долго, пока какое-либо внешнее воздействие не выведет ее из этого состояния. Таким образом, состояние изолированной системы при равновесии определяется только внутренними условиями. Поэтому градиенты интенсивных параметров и соответствующие им потоки должны быть равны нулю:

Где Т температура; Р давление; ц, химический потенциал i-го компонента.

Выражения (2.1)-(2.3) называют условиями соответственно тер­мического, механического и химического (материального) равно­весия.

Все самопроизвольные процессы протекают в направлении до­стижения равновесия. Чем в большей степени состояние системы отклоняется от равновесия, тем выше скорость процесса переноса субстанций между фазами вследствие увеличения движущей силы, обусловливающей этот процесс. Поэтому для осуществления про­цессов переноса субстанций необходимо не допускать установления состояния равновесия, для чего к системе подводят вещество или энергию. На практике в открытых системах это условие обычно реализуется путем создания относительного движения фаз в аппа­ратах с противоточной, прямоточной или другими схемами дви­жения потоков.

Из второго закона термодинамики следует, что в самопроиз­вольных процессах энтропия S системы возрастает и в условии равновесия достигает максимального значения, т. е. в этом случае

Уравнение (2.4), а также уравнения (2.1)-(2.3) определяют усло­вие равновесия системы.

Химический потенциал в выражении (2.3) определяется как приращение внутренней энергии U системы при добавлении к си­стеме бесконечно малого количества молей г-го компонента, отне­сенное к этому количеству вещества, при постоянных объеме F,

Ропии S и количествах молей каждого из остальных компонен-' .^ (где п^= 1, 2, 3, ...).

\ общем случае химический потенциал может быть определен к приращение любого из термодинамических потенциалов систе-| при различных постоянных параметрах: энергии Гиббса G - при '.чоянных давлении Р, температуре Г и п^ энтальпии Я-при ^ юянных S, Р и rij. 1 а ким образом,

Химический потенциал зависит не только от концентрации i итого компонента, но и от вида и концентрации других компо­т-шов системы. Для смеси идеальных газов ц^. зависит лишь от • чщентрации рассматриваемого компонента и температуры:

' р^' значение ц, при стандартном состоянии (обычно при Р, == 0,1 МПа), зависит ii>Ko от температуры; /^.парциальное давление i-го компонента смеси; Р° -давле-| /1о компонента в стандартном состоянии.

Химический потенциал характеризует способность рассматри-згмого компонента к выходу из данной фазы (испарением, крис-| i шзацией и т. п.). В системе, состоящей из двух и более фаз, ' |к'ход данного компонента может происходить самопроизвольно "и*ко из фазы, в которой его химический потенциал больше, ф. пу с меньшим химическим потенциалом. В условиях равновесия имический потенциал компонента в обеих фазах одинаков.

В общем виде химический потенциал может быть записан юдующим образом:

К (у, активность г-го компонента смеси; х^ и у ^соответственно мольная доля. коэффициент активности /-го компонента.

Коэффициент активности у^. является количественной мерой i к-я; дальности поведения i-ro компонента в смеси. При у^ > 1 i клонение от идеального поведения называют положительным, •рп у,< 1 - отрицательным. Для отдельных систем у( ^ 1. Тогда \, и уравнение (2.7) принимает вид

Для идеальных систем химический потенциал можно выразить. и<же с помощью летучести/, компонента:

;< / ° летучесть /-го компонента в стандартных условиях.

Значения величин а^ и /^ находят в справочной литературе. При проведении технологических процессов рабочие среды (газ, '.ip, жидкость) находятся в неравновесном состоянии, которое не

27

s