Deje entrar recipientes termostatizados separados bajo la misma presión. pag hay gases A Y EN, tomado en cantidades y moles. Cuando estos recipientes están conectados, se producirá una mezcla espontánea de gases hasta que se establezca una composición homogénea de la mezcla de gases en todo el volumen del sistema. Supondremos que los gases fuente y sus mezclas obedecen a las ecuaciones de estado de los gases ideales. Luego, mientras se mantiene una presión total de gas constante pag las presiones parciales de los gases en la mezcla resultante serán iguales

Cuando se mezclan gases ideales no hay efectos térmicos, por lo que no hay intercambio de calor entre los gases y el termostato, y el cambio en la entropía del sistema estará completamente determinado por la irreversibilidad de los procesos dentro del sistema.

Para encontrar el cambio deseado de entropía, es necesario contrastar el proceso espontáneo descrito con una transición de equilibrio mental entre los mismos estados inicial y final del sistema.

Para mezclar gases en equilibrio, utilizaremos un dispositivo hipotético especial, por analogía con un termostato, llamado quimiostato. . Este dispositivo consta de un cilindro controlado termostáticamente equipado con un pistón móvil sin fricción; en la base del cilindro hay una membrana que es selectivamente permeable sólo a una determinada sustancia química individual; este último separa la sustancia individual cargada en el quimiostato de la mezcla de sustancias en estudio ubicada en otro recipiente. A diferencia de un termostato, diseñado para mantener una determinada temperatura de un cuerpo sumergido en él, o para calentar o enfriar este último en modo de equilibrio, con la ayuda de un quimiostato aseguran el mantenimiento de un cierto valor del potencial químico de un determinado sustancia individual en la mezcla de sustancias en estudio, así como el suministro de equilibrio y la eliminación de la sustancia de las mezclas. Potencial químico i - el componente químico en el quimiostato está determinado únicamente por la temperatura t y la presión creada sobre el pistón. Al cambiar la presión sobre el pistón, es posible cambiar la dirección de transición de un componente dado a través de la membrana selectiva: si es el potencial químico del componente en la mezcla en estudio, entonces cuándo se agregará la sustancia a la mezcla , cuándo se eliminará de la mezcla y cuándo se mantiene el equilibrio químico entre el quimiostato y la mezcla. Un cambio de cuasi equilibrio en la composición de la mezcla corresponde a la transferencia por difusión de una sustancia a través de la membrana bajo la influencia de una diferencia muy pequeña en los valores de potencial químico en ambos lados de la membrana.

El potencial químico de un gas ideal, independientemente de si este gas se encuentra en estado individual o en mezcla con otros gases ideales, se expresa mediante la simple relación donde pag i es la presión del gas puro o su presión parcial en la mezcla. Por tanto, cuando se transfiere un gas ideal a través de una membrana semipermeable, el equilibrio entre la mezcla y el quimiostato se caracteriza por la igualdad de la presión en el quimiostato y la presión parcial del gas en la mezcla.

Arroz. 2.3. Mezcla de equilibrio de dos gases mediante quimiostatos: a– estado inicial del sistema; b– estado del sistema después de la expansión isotérmica de los gases; V– estado final después de mezclar gases a través de membranas; 1 – quimiostatos de gas individuales A y B ; 2 – membranas semipermeables; 3 – un recipiente para la mezcla equilibrada de gases.

Mezcla de equilibrio de gases ideales. A Y B se llevará a cabo en un sistema termostatizado que consta de dos quimiostatos de componentes individuales A Y B, conectado a un tercer recipiente: una colección de la mezcla resultante, equipada, como quimiostatos, con un pistón móvil (Fig. 2.3).

Deje que en el momento inicial los quimiostatos contengan, respectivamente, moles del componente A y moles de componente B bajo la misma presión pag ; el pistón en el colector de mezcla está en la posición cero (el volumen de gas debajo del pistón es cero). El proceso de mezcla se realiza en dos etapas. En la primera etapa realizamos una expansión isotérmica reversible de gases. A Y B; mientras la presión A reducir de pag a la presión establecida y a la presión B en consecuencia de pag a . Los volúmenes ocupados por los gases en el primer y segundo quimiostato cambiarán, respectivamente, de a y de a . El trabajo realizado por el gas en expansión en el primer quimiostato es igual a ; en el segundo . Así, en la primera etapa, se realiza el trabajo total en nuestro dispositivo hipotético. Dado que durante la expansión isotérmica de un gas ideal su energía interna no cambia, este trabajo se realiza debido al suministro equivalente de calor del termostato. Por tanto, el cambio reversible de entropía en el sistema será igual a

En la segunda etapa del proceso (la mezcla en sí), transferimos gases desde los quimiostatos a través de membranas selectivas al depósito de mezcla mediante el movimiento sincronizado de tres pistones. Al mismo tiempo, se mantiene una presión constante en cada uno de los pistones, respectivamente, tanto en los quimiostatos como en el colector, lo que asegura una transición equilibrada de los gases a través de las membranas (más precisamente, se crea una presión en el colector que es un poco menos pag , manteniendo una fuerza impulsora distinta de cero para la difusión a través de membranas). La reversibilidad del proceso de mezcla en este caso está garantizada por la posibilidad de cambiar sincrónicamente la dirección del movimiento de los tres pistones, lo que conduciría a la división inversa de la mezcla en componentes individuales. Una vez completada la operación, la mezcla obviamente ocupará un volumen de .

Dado que en el caso de los gases ideales la mezcla no va acompañada de ningún efecto térmico, no hay intercambio de calor entre nuestro dispositivo y el termostato en la segunda etapa de funcionamiento. En consecuencia, no hay ningún cambio en la entropía del sistema en esta etapa.

Es útil verificar mediante cálculo directo que el trabajo realizado por los gases en la segunda etapa es cero. De hecho, se consume trabajo para mover los pistones en los quimiostatos, mientras que al mismo tiempo se realiza la misma cantidad de trabajo en el colector de gas. Desde aquí.

Entonces, el aumento total de entropía durante la mezcla de gases está determinado por la expresión (2.9), . Si, en la versión de equilibrio de la mezcla, este aumento está asociado con el suministro de retorno de calor y la producción de una cantidad equivalente de trabajo. , luego, con la mezcla directa (irreversible) de gases, se produce el mismo aumento de entropía debido a su generación dentro del sistema; el sistema no realiza ningún trabajo.

Después de la sustitución (2.8), la expresión (2.9) se puede reescribir como

. (2.10)

A esta relación se le da un lugar obligatorio en los cursos de termodinámica debido a su aparente paradoja. Es de destacar que para los cambios de entropía (¡cuando se mezclan gases ideales!) no importa qué se mezcla con qué, ni a qué presión y temperatura. Básicamente, aquí hay una derivación informal (2.10).

Complementemos la conclusión (2.10) con sus útiles consecuencias. Introducción de fracciones molares de componentes. y obtenemos una expresión para el cambio de entropía por 1 mol de la mezcla resultante:

. (2.11)

El máximo de esta función se produce en una mezcla equimolar de gases, 0,5.

Desde el punto de vista de la teoría de la separación de mezclas de sustancias, es interesante rastrear el cambio en la producción de entropía cuando se agrega una cantidad suficientemente grande de moles de un componente. B a un mol de componente A. Configurando y en (2.10), obtenemos

Al derivar (2.12), se utilizó la representación matemática de la función logarítmica.

.

La fórmula (2.12) muestra que las diluciones sucesivas de la mezcla van acompañadas de un aumento infinito de la entropía por mol de componente de impureza.

La fórmula (2.10) da el valor integral del incremento de entropía al mezclar cantidades finitas de gas. Para llegar a una expresión diferencial compacta similar a la fórmula (2.7) para la transferencia de calor, modificamos el modelo de mezcla de componentes (ver Fig. 2.4). Supondremos que la mezcla se produce a través de una membrana permeable a ambos componentes, o mediante una válvula suficientemente estrecha que separa los recipientes llenos de mezclas. A Y B de diferente composición. El sistema está termostatizado y se mantiene una presión constante en ambos recipientes mediante pistones. pag . Con una velocidad de mezclado limitada, la composición de la mezcla en cada uno de los recipientes se puede considerar homogénea en todo el volumen del recipiente. Por tanto, este sistema es similar a un sistema de intercambio de calor con una partición débilmente conductora.

Mezcla de gases. Difusión molecular y molar (turbulenta)

difusión molecular- el proceso de penetración mutua de moléculas de un gas en otro, que conduce a la formación de una mezcla perfecta, se observa en gases estacionarios y en flujos laminares.

En la difusión molecular, la mezcla de gases está determinada por el movimiento térmico de las moléculas. Aunque la velocidad de movimiento de las moléculas W. en promedio es muy grande, la longitud del camino libre / es pequeña. Por tanto, la difusión molecular avanza con bastante lentitud. La cantidad de gas que se difunde de una capa a otra, según la ley de Fick, es igual a

donde está el coeficiente de difusión molecular, m 2 /s; CC/DN -

gradiente de concentración del gas en difusión, kg/m4.

A medida que aumenta la temperatura D y aumento de la intensidad de la difusión. Tamaño D se puede determinar utilizando la fórmula de Sutherland modificada por N.D. Kosovo:

donde D)12 es el coeficiente de difusión de un gas (1) en otro (2) gas a presión pag Q y temperatura 7o; Q y C2 son los coeficientes de Sutherland para los componentes de la mezcla, K (para metano C = 198, aire - 119, nitrógeno - 107,0 2 - 138, C0 2 - 255); pag 0, G 0: el valor de presión y temperatura, respectivamente, en condiciones físicas normales (po= 1,01·105Pa; T 0= 273 K).

A menudo se utiliza para determinar el coeficiente de difusión molecular. D Se utiliza una fórmula de potencia simple.

Dónde norte- coeficiente empírico

Las dependencias de los coeficientes de difusión de una mezcla de varios componentes son más complejas (ver pág. 80).

En un flujo turbulento, la difusión, así como la transferencia de calor y la fricción interna, están asociadas con la transferencia turbulenta y la mezcla de masas macroscópicas finitas de gas: moles turbulentos. Los tamaños de estos moles y las trayectorias de su movimiento antes de mezclarse son variados; existe un espectro de valores para estas cantidades. El movimiento de las polillas es de naturaleza pulsante, las velocidades de su movimiento son las velocidades de las pulsaciones a través del flujo. Con números de Re bajos, se observan pulsaciones a gran escala; las velocidades turbulentas cambian significativamente sólo a grandes distancias. Bajo escala de pulsaciones(turbulencia) comprende el orden de la longitud a lo largo del cual se produce un cambio significativo en la velocidad. Las frecuencias de pulsaciones a gran escala son bajas.

A medida que aumenta Re, junto con las de gran escala, también aparecen pulsaciones de alta frecuencia y de pequeña escala. La escala de pulsaciones a gran escala es del orden de las dimensiones determinantes del sistema (. D, canalizo o chorro libre, etc.). Las pulsaciones a gran escala determinan los procesos de mezcla turbulenta: fricción interna, difusión y transferencia de calor. Las pulsaciones de pequeña escala provocan una disipación viscosa. La energía de los moles de gran escala se transfiere a los de pequeña escala y estos la disipan. La mezcla durante la difusión turbulenta se completa debido a la difusión molecular.

Utilizando consideraciones dimensionales y analogías con los procesos de transferencia molecular, introducimos el concepto. coeficiente de transferencia turbulenta A T, que caracteriza la fricción interna, la difusión y la transferencia de calor en un flujo turbulento:

Dónde GRAMO- escala de turbulencia, duración del movimiento turbulento

rezando hasta mezclar (analógico /); - raíz cuadrática media

velocidad pulsante.

Coeficiente En es también el coeficiente de difusión turbulenta D.T. difusividad térmica turbulenta en y viscosidad (contra T). No depende de las propiedades del gas y está determinada por las características de la turbulencia.

Sustituyendo (3.57) en (3.56), obtenemos la fórmula de Prandtl

La relación (3.58) nos permite estimar los coeficientes de transferencia en un flujo turbulento. Para calcular los procesos de transferencia (difusión), puede utilizar relaciones (ecuaciones) relacionadas con procesos moleculares, reemplazándolas. re, a, v en D T, yt, vx. Cuando la influencia del transporte turbulento y molecular es comparable, se introducen coeficientes totales.

Resolver una gran cantidad de problemas técnicos implica a menudo mezclar diferentes gases (líquidos) o diferentes cantidades del mismo gas (líquido) en diferentes estados termodinámicos. Para organizar los procesos de desplazamiento, se ha desarrollado una gama bastante amplia de una amplia variedad de dispositivos y aparatos de mezcla.

En el análisis termodinámico de procesos de mezcla, la tarea generalmente se reduce a determinar los parámetros del estado de la mezcla a partir de los parámetros conocidos del estado de los componentes iniciales de la mezcla.

La solución a este problema será diferente dependiendo de las condiciones en las que se realice este proceso. Todos los métodos para la formación de mezclas de gases o líquidos que ocurren en condiciones reales se pueden dividir en tres grupos: 1) el proceso de mezcla en volumen constante; 2) el proceso de mezcla en una corriente; 3) mezclar al llenar el volumen.

Generalmente se considera que los procesos de mezcla ocurren sin intercambio de calor entre el sistema de mezcla y el medio ambiente, es decir, que ocurren de forma adiabática. El mezclado en presencia de intercambio de calor se puede dividir en dos etapas: mezclado adiabático sin intercambio de calor e intercambio de calor en la mezcla resultante con el medio ambiente.

Para simplificar las conclusiones, consideremos la mezcla de dos gases reales. La mezcla simultánea de tres o más gases se puede encontrar utilizando fórmulas de cálculo para dos gases agregando secuencialmente un nuevo componente.

Todos los casos de mezcla son procesos irreversibles, aunque sólo sea porque separar la mezcla en sus componentes requiere necesariamente un gasto de trabajo. Como en todo proceso irreversible, durante la mezcla se produce un aumento de entropía S Sistemas c y la correspondiente pérdida de rendimiento (exergía): Delaware = t o.s. S c, donde tо.с – temperatura ambiente.

Al mezclar gases con diferentes presiones y temperaturas, se producen pérdidas adicionales de rendimiento debido al intercambio de calor irreversible entre los gases mezclados y al no aprovechamiento de su diferencia de presión. Por tanto, un aumento de entropía durante la mezcla se produce como resultado de la mezcla (difusión) real de gases o líquidos de diferente naturaleza y debido a la igualación de temperaturas y presiones de las sustancias mezcladas.

Veamos posibles métodos de mezcla.

2.1. Procesos de mezcla de volumen constante

Deje que algún recipiente de volumen aislado térmicamente V dividido por una partición en dos compartimentos, uno de los cuales contiene gas (líquido) con parámetros pag 1, tu 1, t 1 , Ud. 1, en el otro – otro gas (líquido) con parámetros pag 2, tu 2, t 2 , Ud. 2, (figura 2.1).

Arroz. 2.1. Diagrama del proceso de mezcla

en un volumen constante

Denotamos la masa de gas en un compartimento y el volumen de este compartimento respectivamente. metro 1 y V 1, y en el otro compartimento - metro 2 y V 2. Cuando se retira el tabique divisorio, cada gas se difundirá por difusión a todo el volumen, y el volumen resultante de la mezcla será obviamente igual a la suma V = V 1 + V 2. Como resultado de la mezcla, se igualan la presión, temperatura y densidad del gas en todo el volumen del recipiente. Denotemos los valores de los parámetros del estado del gas después de mezclar. pag,tú, t, Ud..

Según la ley de conservación de la energía, la mezcla de gases resultante tendrá una energía interna igual a la suma de las energías internas de cada gas:

Ud. = Ud. 1 + Ud. 2

metro 1 tu 1 + metro 2 tu 2 = (metro 1 + metro 2) tu = mu. (2.1)

La energía interna específica del gas después de la mezcla se determina de la siguiente manera:

. (2.2)

Asimismo, el volumen específico de la mezcla es igual a:

. (2.3)

En cuanto a los parámetros restantes del gas después de mezclar ( pag, t, S), entonces para gases y líquidos no se pueden calcular analíticamente de forma general a través de los valores de los parámetros de los componentes de la mezcla. Para determinarlos necesitas usar. Ud., diagrama u en el que se trazan isobaras e isotermas o Ud., t- un diagrama con isocoros e isobaras marcados (para mezclar el mismo gas), o tablas de propiedades termodinámicas de gases y líquidos. Habiendo determinado utilizando las relaciones (2.2) y (2.3) u del gas después de mezclar, se puede encontrar en diagramas o tablas. pag, t, S.

Valores pag, t Y S Los gases después de la mezcla se pueden expresar directamente a través de los valores conocidos de los parámetros de estado de las porciones mezcladas solo para gases ideales. Denotemos el valor promedio de la capacidad calorífica del primer gas en el rango de temperatura de t 1 a t a través de , y otro gas en el rango de temperatura de t 2 a t a través de
.

considerando que
;
;
de la expresión (2.2), obtenemos:

t =
o t =
, (2.4)

Dónde gramo 1 y gramo 2 – fracciones masivas de gases ideales que componen la mezcla.

De la ecuación de estado de los gases ideales se sigue:

metro 1 = ;metro 2 = .

Después de sustituir los valores de masa en (2.4), la temperatura de la mezcla de gases se puede encontrar a partir de la expresión

t =
. (2.5)

Definimos la presión de una mezcla de gases ideales como la suma de las presiones parciales de los componentes de la mezcla de gases.
, donde las presiones parciales Y se determinan utilizando la ecuación de Clapeyron.

Incremento de entropía S Los sistemas c de mezcla irreversible se encuentran por la diferencia en las sumas de entropía de los gases incluidos en la mezcla después de mezclar y los componentes iniciales antes de mezclar:

S = S – (metro 1 S 1 + metro 2 S 2).

Para una mezcla de gases ideales cuando se mezclan dos gases.

S do = metro[(gramo 1 do pag 1 + gramo 2 do pag 2)en t – (gramo 1 R 1 + gramo 2 R 2)en pag]–

– [metro 1 (do pag 1 pulgada t 1 – R en pag 1) + metro 2 (do pag 2 litros t 2 – R en pag 2)]–

–metro(R 1 gramo 1 pulgada r 1 + R 2 gramo 2 litros r 2),

Dónde r i– fracción en volumen de los gases ideales que componen la mezcla;

R– constante de los gases de la mezcla, determinada por la ecuación:

R = gramo 1 R 1 + gramo 2 R 2 .

El diagrama de exergía y anergía para mezclar en un volumen constante se muestra en la figura. 2.2.

Arroz. 2.2. Diagrama de exergía y anergia en

mezclando en volumen constante:
– pérdida de exergía específica durante la mezcla

2. Mezcla de gases y vapores a diferentes temperaturas.

Así se forman las nieblas atmosféricas. La mayoría de las veces, la niebla aparece en un clima despejado por la noche, cuando la superficie de la Tierra, que emite calor intensamente, se enfría mucho. El aire cálido y húmedo entra en contacto con la Tierra que se está enfriando o con el aire frío cerca de su superficie y se forman en él gotas de líquido. Lo mismo sucede cuando se mezclan frentes de aire cálido y frío.

3. Enfriamiento de la mezcla de gases que contiene vapor.

Este caso se puede ilustrar con el ejemplo de una tetera en la que ha hervido agua. El vapor de agua sale por el pico, que es invisible porque no dispersa la luz. Luego, el vapor de agua se enfría rápidamente, el agua que contiene se condensa y, ya a poca distancia de la boquilla de la tetera, vemos una nube lechosa, una niebla que se ha hecho visible debido a la capacidad de dispersar la luz. Un fenómeno similar se observa cuando abrimos la ventana en un día helado. Un aerosol más duradero se forma cuando el aceite hirviendo en una sartén crea un gas (aerosol de aceite) en la habitación, que solo puede eliminarse ventilando bien la habitación.

Además, el aerosol de condensación se puede formar como resultado de reacciones de gases que conducen a la formación de productos no volátiles:

· durante la combustión del combustible se forman gases de combustión, cuya condensación provoca la aparición de humo de combustión;

· cuando el fósforo se quema en el aire, se forma humo blanco (P 2 O 5);

· durante la interacción de NH 3 y HC1 gaseosos, se forma humo MH 4 C1 (sm);

· la oxidación de metales en el aire, que se produce en diversos procesos metalúrgicos y químicos, va acompañada de la formación de humos formados por partículas de óxidos metálicos.

MÉTODOS DE DISPERSIÓN

Los aerosoles dispersivos se forman durante la trituración (pulverización) de cuerpos sólidos y líquidos en un ambiente gaseoso y durante la transición de sustancias en polvo a estados suspendidos bajo la acción de corrientes de aire.

La pulverización de sólidos se produce en dos etapas:

moler y luego rociar. La transferencia de la sustancia al estado de aerosol debe realizarse en el momento de la aplicación del aerosol, ya que, a diferencia de otros sistemas dispersos, las emulsiones, suspensiones y aerosoles no se pueden preparar con anticipación. En el hogar, casi el único medio para obtener aerosoles líquidos y en polvo es un dispositivo llamado "paquete de aerosol" o "lata de aerosol". La sustancia que contiene se envasa bajo presión y se pulveriza con gases licuados o comprimidos.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS AEROSOLES

Las propiedades de los aerosoles están determinadas por:

La naturaleza de las sustancias de la fase dispersa y del medio de dispersión;

Concentración parcial y masiva de aerosol;

Tamaño de partícula y distribución granulométrica;

Forma de partículas primarias (no agregadas);

Estructura de aerosoles;

Carga de partículas.

Para caracterizar la concentración de aerosoles, al igual que otros sistemas dispersos, se utilizan la concentración másica y la concentración numérica (parcial).

La concentración másica es la masa de todas las partículas suspendidas por unidad de volumen de gas.

La concentración numérica es el número de partículas por unidad de volumen de aerosol. Por muy grande que sea la concentración numérica en el momento de la formación del aerosol, al cabo de unos segundos no puede superar las 10 3 partículas/cm 3 .

TAMAÑOS DE PARTÍCULAS DE AEROSOL

El tamaño mínimo de partícula está determinado por la posibilidad de que la sustancia exista en estado de agregación. Por tanto, una molécula de agua no puede formar un gas, un líquido o un sólido. Para formar una fase, se requieren agregados de al menos 20 a 30 moléculas. La partícula más pequeña de un sólido o líquido no puede tener un tamaño inferior a 1 10 -3 micras. Para considerar un gas como un medio continuo, es necesario que el tamaño de las partículas sea mucho mayor que el camino libre de las moléculas del gas. El límite superior del tamaño de las partículas no está estrictamente definido, pero las partículas de más de 100 micrones no pueden permanecer suspendidas en el aire durante mucho tiempo.

PROPIEDADES MOLECULAR-CINÉTICAS DE LOS AEROSOLES

Las características de las propiedades cinéticas moleculares de los aerosoles se deben a:

Baja concentración de partículas en fase dispersa: por ejemplo, si 1 cm 3 de hidrosol de oro contiene 10 16 partículas, entonces el mismo volumen de aerosol de oro contiene menos de 10 7 partículas;

Baja viscosidad del medio de dispersión: el aire, por lo tanto, bajo coeficiente de fricción (B) que surge durante el movimiento de las partículas;

Baja densidad del medio de dispersión, por lo tanto ρ parte » ρ gas.

Todo esto lleva a que el movimiento de partículas en los aerosoles se produzca mucho más intensamente que en los liosoles.

Consideremos el caso más simple, cuando el aerosol está en un recipiente cerrado (es decir, se excluyen los flujos de aire externos) y las partículas tienen forma esférica con radio r y densidad p. Sobre una partícula de este tipo actúa simultáneamente una fuerza de gravedad dirigida verticalmente hacia abajo y una fuerza de fricción en la dirección exactamente opuesta. Además, la partícula se encuentra en movimiento browniano, cuya consecuencia es la difusión.

Para cuantificar los procesos de difusión y sedimentación en aerosoles se pueden utilizar los valores

flujo de difusión específico i diff y

flujo de sedimentación específico i sed. .

Para saber qué flujo prevalecerá, considere su proporción:

En esta expresión (p - p 0) » 0. En consecuencia, el tamaño de la fracción vendrá determinado por el tamaño de las partículas.

Si r > 1 μm, entonces i sed » i diff, es decir, se puede despreciar la difusión: se produce una sedimentación rápida y las partículas se depositan en el fondo del recipiente.

si r< 0,01 мкм, то i сед « i диф. В этом случае можно пренебречь седиментацией - идет интенсивная диффузия, в результате которой частицы достигают стенок сосуда и прилипают к ним. Если же частицы сталкиваются между собой, то они слипаются, что приводит к их укрупнению и уменьшению концентрации.

Así, tanto las partículas muy pequeñas como las muy grandes desaparecen rápidamente del aerosol: las primeras por adherencia a las paredes o adherencia, las segundas por sedimentación en el fondo. Las partículas de tamaños intermedios tienen la máxima estabilidad. Por tanto, por muy grande que sea la concentración numérica de partículas en el momento de la formación del aerosol, al cabo de unos segundos no supera las 10 3 partes/cm 3 .

PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LOS AEROSOLES

Las propiedades eléctricas de las partículas de aerosol difieren significativamente de las propiedades eléctricas de las partículas del liosol.

1. En las partículas de aerosol no se produce EDL, ya que debido a la baja constante dieléctrica del medio gaseoso, prácticamente no se produce disociación electrolítica en él.

2. La carga de las partículas surge principalmente de la adsorción indiscriminada de iones que se forman en la fase gaseosa como resultado de la ionización del gas por los rayos cósmicos, ultravioleta o radiactivos.

3. La carga de las partículas es de naturaleza aleatoria y, para partículas de la misma naturaleza y del mismo tamaño, puede ser diferente tanto en magnitud como en signo.

4. La carga de una partícula cambia con el tiempo tanto en magnitud como en signo.

5. En ausencia de adsorción específica, las cargas de las partículas son muy pequeñas y normalmente superan la carga eléctrica elemental en no más de 10 veces.

6. La adsorción específica es característica de los aerosoles cuyas partículas están formadas por una sustancia altamente polar, ya que en este caso se produce un salto de potencial bastante grande en la superficie de la interfase, debido a la orientación superficial de las moléculas. Por ejemplo, en la superficie interfacial del agua o de los aerosoles de nieve existe un potencial eléctrico positivo del orden de 250 mV.

Se sabe por la práctica que las partículas de aerosoles de metales y sus óxidos suelen tener una carga negativa (Zn, ZnO, MgO, Fe 2 0 3), y las partículas de aerosoles de no metales y sus óxidos (SiO 2, P 2 O 5) están cargados positivamente. Las partículas de NaCl y almidón tienen carga positiva, mientras que las partículas de harina tienen carga negativa.

ESTABILIDAD AGREGATIVA. COAGULACIÓN

A diferencia de otros sistemas dispersos, en los aerosoles no hay interacción entre la superficie de las partículas y el medio gaseoso, lo que significa que no existen fuerzas que impidan que las partículas se adhieran entre sí y con cuerpos macroscópicos en caso de colisión. Por tanto, los aerosoles son sistemas agregativamente inestables. La coagulación en ellos ocurre según el tipo de coagulación rápida, es decir, cada colisión de partículas conduce a que se peguen entre sí.

La tasa de coagulación aumenta rápidamente al aumentar la concentración numérica del aerosol.

Independientemente de la concentración inicial del aerosol, después de unos minutos hay 10 8 -10 6 partículas en 1 cm 3 (a modo de comparación, en los liosoles hay ~ 10 15 partículas). Por tanto, estamos ante sistemas muy diluidos.

MÉTODOS PARA LA DESTRUCCIÓN DE AEROSOL

A pesar de que los aerosoles son agregativamente inestables, el problema de su destrucción es muy grave. Los principales problemas cuya solución requiere la destrucción de los aerosoles:

Purificación del aire atmosférico a partir de aerosoles industriales;

Captura de productos valiosos del humo industrial;

Aspersión o dispersión artificial de nubes y nieblas.

Los aerosoles son destruidos por

· dispersión bajo la influencia de corrientes de aire o debido a cargas de partículas del mismo nombre;

· sedimentación;

· difusión a las paredes del vaso;

· coagulación;

· evaporación de partículas en fase dispersa (en el caso de aerosoles de sustancias volátiles).

La más antigua de las instalaciones de tratamiento es la chimenea. Intentan liberar aerosoles nocivos a la atmósfera lo más alto posible, ya que algunos compuestos químicos, que ingresan a la capa terrestre de la atmósfera bajo la influencia de la luz solar y como resultado de diversas reacciones, se convierten en sustancias menos peligrosas (en la planta minera de Norilsk y en la planta metalúrgica, por ejemplo, un tubo de tres canales tiene una altura de 420 m).

Sin embargo, la moderna concentración de la producción industrial exige un tratamiento previo de las emisiones de humo. Se han desarrollado muchos métodos para destruir aerosoles, pero cualquiera de ellos consta de dos etapas:

el primero es la captura de partículas dispersas, su separación del gas,

el segundo es evitar que las partículas vuelvan a ingresar al ambiente gaseoso; esto se debe al problema de la adhesión de las partículas capturadas y la formación de un sedimento duradero a partir de ellas;

CILINDROS DE AEROSOL

El principio de funcionamiento de una lata de aerosol es que el medicamento colocado en el paquete se mezcla con un líquido de evacuación, cuya presión de vapor saturado en el rango de temperatura en el que se opera el paquete es mayor que la atmosférica.

La mezcla se libera del cilindro bajo la influencia de la presión de vapor saturado sobre el líquido.

Se sabe que la presión de vapor saturado de cualquier sustancia estable está determinada únicamente por la temperatura y no depende del volumen. Por lo tanto, durante todo el funcionamiento del cilindro, la presión en él permanecerá constante, por lo tanto, el rango de vuelo de las partículas y el ángulo del cono rociador permanecerán casi constantes.

Dependiendo de la naturaleza de la interacción de la sustancia pulverizada con el líquido evacuado y su estado de agregación, los sistemas en envases de aerosol consistirán en un número diferente de fases. En el caso de la solubilidad mutua de los componentes, se forma una solución líquida homogénea, en otros casos, una emulsión o suspensión y, finalmente, un sistema heterogéneo, cuando el fármaco y el líquido de evacuación forman un sistema macroscópicamente heterogéneo. Obviamente, en el primer caso, el paquete de aerosol contiene un sistema de dos fases: líquido y vapor saturado. Cuando una emulsión o suspensión se libera a la atmósfera, solo se tritura el medio de dispersión; las partículas resultantes, en el mejor de los casos, tendrán las dimensiones que tenían en la fase líquida.

Cuando el fármaco y el líquido de evacuación no se mezclan o se mezclan entre sí de forma limitada, con uno de los líquidos disperso en el otro en forma de pequeñas gotas, se forman emulsiones.

La naturaleza del sistema que se forma cuando el producto sale del envase a la atmósfera depende de cuál de los líquidos es la fase dispersa. Si la fase dispersa es un fármaco, se forma un aerosol. Si la fase dispersa es un líquido en evacuación, se obtiene espuma. El tamaño de las partículas obtenidas con latas de aerosol depende de las propiedades fisicoquímicas de las sustancias incluidas en el medicamento, la proporción de componentes, las características de diseño de la lata y las condiciones de temperatura de su funcionamiento.

El grado de dispersión se puede regular: “variando el tamaño de la salida;

Cambiando la presión de vapor saturado del líquido de evacuación;

Cambiando la proporción cuantitativa del fármaco y el agente de evacuación.

EVACUACIÓN DE SUSTANCIAS

El componente auxiliar más importante es una sustancia que asegura la liberación del fármaco a la atmósfera y su posterior dispersión. Estas sustancias se llaman propulsores (del latín “pro-peilere” - conducir). El propulsor debe realizar dos funciones:

Crear la presión necesaria para liberar el fármaco;

Producto disperso liberado a la atmósfera. Como propulsores se utilizan freones y gases comprimidos. Los freones son compuestos organofluorados de bajo peso molecular de la serie alifática.

Se ha adoptado el siguiente sistema de notación para los freones: el último dígito (número de unidades) significa el número de átomos de flúor en la molécula, el dígito anterior (número de decenas) significa el número de átomos de hidrógeno aumentado en uno, y el tercero (número de cientos) significa que el número de átomos de carbono disminuyó en uno. Por ejemplo: F-22 es CHC1F 2, F-114 es C 2 C1 2 F 4.

Las sustancias que consisten en moléculas de estructura cíclica también tienen una designación numérica, pero la letra "C" se coloca antes de los números, por ejemplo: C318 - C 4 F 8 (octafluorociclobutano).

Como gases comprimidos se utilizan N2, N2O, CO2, etc.

VENTAJAS DE LOS ENVASES DE AEROSOL

1. La transferencia del fármaco a un estado finamente disperso se produce debido a la energía potencial del propulsor licuado y no requiere el uso de ningún dispositivo extraño.

2. No se necesitan accesorios para crear aerosoles.

3. En una unidad de tiempo, se puede dispersar una cantidad significativa de sustancia para producir partículas pequeñas; si se utilizaran otros métodos, se necesitaría mucha más energía.

4. El modo de nebulización es estable: el tamaño de las partículas resultantes, su rango de vuelo y el ángulo en el vértice del cono cambian poco durante todo el período de funcionamiento.

5. Puede prefijar la dosis de la sustancia pulverizada.

6. Puede configurar el tamaño de partícula.

7. El grado de polidispersidad del aerosol es bajo.

8. Todas las partículas tienen la misma composición química.

9. Se garantiza la esterilidad de los medicamentos pulverizados.

10. El medicamento contenido en el paquete no entra en contacto con el oxígeno del aire, lo que garantiza su estabilidad.

11. El cierre automático de la válvula elimina la posibilidad de pérdida por derrame o evaporación de la porción no utilizada del producto.

12. El embalaje siempre está listo para su uso.

13. El embalaje es compacto. Permite uso individual o colectivo.

Los primeros envases de aerosol aparecieron en los años 80. Siglo XX en Europa. Durante la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos tomó la iniciativa en su desarrollo. En 1941, se creó un envase en aerosol: un insecticida envasado en un recipiente de vidrio. El propulsor era freón-12.

La producción a escala industrial comenzó después de la Segunda Guerra Mundial en Estados Unidos y luego en otros países del mundo.

APLICACIÓN PRÁCTICA DE AEROSOLES

El uso generalizado de aerosoles se debe a su alta eficacia. Se sabe que un aumento de la superficie de una sustancia va acompañado de un aumento de su actividad. Una pequeña cantidad de una sustancia pulverizada en forma de aerosol ocupa un gran volumen y tiene una alta reactividad. Ésta es la ventaja de los aerosoles sobre otros sistemas dispersos.

Se utilizan aerosoles:

En diversos campos de la tecnología, incluidos el militar y el espacial;

En agricultura; “en salud;

En meteorología; en la vida cotidiana, etcétera.

Recientemente, la preparación de formas farmacéuticas en forma de aerosoles se ha utilizado ampliamente en la práctica farmacéutica. El uso de sustancias medicinales en forma de aerosoles es conveniente en los casos en que es necesario aplicar el fármaco en grandes superficies (enfermedades agudas del tracto respiratorio, quemaduras, etc.). Las formas farmacéuticas que contienen sustancias líquidas formadoras de película tienen un gran efecto. Cuando este medicamento se rocía sobre el área afectada, se cubre con una película delgada y transparente que reemplaza el vendaje.

Detengámonos con más detalle en el uso de envases de aerosol.

Actualmente, existen más de 300 tipos de productos en envases de aerosol.

Primer grupo: productos químicos domésticos.

Los insecticidas son preparaciones para matar insectos.

Productos antipolillas.

Insecticidas para el tratamiento de animales domésticos.

Medios para proteger las plantas de interior y los cultivos de frutas y bayas de enfermedades y plagas fúngicas.

Barnices y pinturas.

Ambientadores.

c Compuestos de pulido y limpieza.

Segundo grupo:

Perfumería y cosmética. “Productos para el cuidado del cabello (sprays, champús, etc.).

Espumas y geles de afeitar.

Cremas para manos y pies.

Aceite a favor y en contra del bronceado.

Desodorantes.

Perfumes, colonias, eau de toilette.

Tercer grupo: aerosoles médicos.

Cuarto grupo: aerosoles técnicos.

Aceites lubricantes.

Recubrimientos anticorrosión.

Películas protectoras. "Lubricantes secos.

Emulsiones para enfriar cortadores en perforadoras.

Quinto grupo: aerosoles alimentarios.

AEROSOLES ALIMENTARIOS

Los primeros contenedores de alimentos aparecieron en 1947 en Estados Unidos. Contenían cremas para el acabado de tartas y pasteles y sólo eran utilizadas por los restaurantes, que las devolvían para rellenarlas. La producción en masa de este tipo de envases de aerosol no comenzó hasta 1958.

Los envases de alimentos en aerosol se pueden dividir en tres grupos principales:

paquetes que requieren almacenamiento a bajas temperaturas;

embalaje con posterior tratamiento térmico;

Envasado sin tratamiento térmico posterior.

En envases de aerosol se producen tres tipos de productos alimenticios: cremas, líquidos y pastas. En envases de aerosol se pueden comprar aderezos para ensaladas, quesos fundidos, jugos, canela, mayonesa, jugo de tomate, crema batida al 30%, etc.

El crecimiento en la producción de aerosoles alimentarios se debe a lo siguiente:

ventajas sobre los tipos de embalaje convencionales;

desarrollo de nuevos propulsores;

Mejora de la tecnología de llenado.

Ventajas del envasado de alimentos en aerosol:

facilidad de uso;

ahorrar tiempo;

los alimentos se envasan listos para el consumo y se liberan del paquete de forma uniforme;

sin fugas de producto;

la humedad no se pierde ni penetra en el embalaje;

el aroma no se pierde;

el producto se mantiene estéril.

Los siguientes requisitos se aplican a las formulaciones de aerosoles alimentarios:

1. El propulsor debe ser de alta pureza, no tóxico, insípido e inodoro. Actualmente se utilizan dióxido de carbono, óxido nitroso, nitrógeno, argón y freón C318.

2. Los gases comprimidos, que tienen una solubilidad muy limitada en soluciones acuosas, no pueden participar en la formación de espuma, y ​​esto es necesario para nata montada, cremas decorativas, mousses, etc. Es preferible utilizar freón C318 con estos productos, aunque es mucho más caro.

Tabla 18.4 Ejemplos de formulaciones para diversos aerosoles alimentarios.

3. El uso de freones proporciona otra ventaja: se introducen gases licuados en las formulaciones de productos, que se liberan en forma de espuma, en una cantidad no superior al 10% en peso, mientras que ocupan un volumen relativamente pequeño. Esto le permite cargar una cantidad significativamente mayor de productos en el cilindro: el 90% de la capacidad del cilindro (en paquetes con gas comprimido solo el 50%) y garantiza la liberación completa del producto del paquete.

4. La elección del propulsor viene dictada por el tipo de producto alimenticio y la forma de entrega prevista (crema, líquido, pasta). Las mezclas de CO2 y óxido nitroso de alta pureza han demostrado su eficacia. Para obtener espuma se utilizan mezclas de freón C318 con óxido nitroso. La crema para acabado de pasteles envasada con esta mezcla produce una espuma estable que conserva bien el color. Para los jarabes, el CO2 se considera el propulsor más adecuado.

La calidad de la dispensación del contenido del cilindro depende de los siguientes factores:

Tecnologías de preparación de productos;

Estabilizador (la celulosa microcristalina se usa ampliamente);

Elección correcta de cilindro y válvula.

Para el jugo de canela y limón, se ha desarrollado un cabezal rociador controlado que puede dispensar los productos en forma de gotas o en forma de chorro, según se desee. Para los edulcorantes artificiales se utilizan válvulas dosificadoras, una dosis que dispensan corresponde a un trozo de azúcar aserrado, etc.

TRANSPORTE DE AEROSOL

El transporte neumático se utiliza ampliamente en las industrias de molienda de harina, cereales y piensos, lo que crea las condiciones para la introducción de la automatización, el aumento de la productividad laboral y la reducción de costos. Sin embargo, el uso del transporte neumático va asociado a un gran gasto de electricidad para mover un gran volumen de aire (1 kg de aire mueve entre 5 y 6 kg de material a granel).

Más progresivo es el transporte de aerosoles, en el que se logra una gran concentración de material en el flujo de aire debido a la aireación de la harina al inicio del transporte y a la alta presión del aire. La aireación rompe la adherencia entre las partículas de harina y adquiere la propiedad de fluidez, como un líquido, como resultado, 1 kg de aire mueve hasta 200 kg de harina;

La instalación de transporte de aerosoles consta de un alimentador, un sobrealimentador, una tubería de material y un descargador. El elemento principal es el alimentador, en el que se mezcla aire con el material y se le da a la mezcla la velocidad inicial, lo que asegura su suministro a la tubería de material.

La introducción del transporte de aerosoles permite aumentar la productividad de las fábricas y reducir el consumo energético específico.

El transporte de aerosoles tiene futuro no sólo en la molienda de harina, sino también en otras industrias relacionadas con el uso de materiales a granel y polvos.

Los aerosoles son sistemas microheterogéneos en los que partículas sólidas o gotitas de líquido están suspendidas en un gas (S/G o L/G),

Según el estado agregado de la fase dispersa, los aerosoles se dividen en: niebla (L/G); humo, polvo (T/G); niebla tóxica [(F+T)/G)].

Según su dispersión, los aerosoles se dividen en: niebla, humo, polvo.

Al igual que otros sistemas microheterogéneos, los aerosoles se pueden obtener a partir de soluciones verdaderas (métodos de condensación) o de sistemas poco dispersos (métodos de dispersión).

Las gotas de agua en la niebla son siempre esféricas, mientras que las partículas sólidas de humo pueden tener diferentes formas según su origen.

Debido al tamaño muy pequeño de las partículas de la fase dispersa, tienen una superficie desarrollada en la que pueden ocurrir activamente la adsorción, la combustión y otras reacciones químicas.

Las propiedades cinéticas moleculares de los aerosoles están determinadas por:

baja concentración de partículas de fase dispersa; baja viscosidad del medio de dispersión; Baja densidad del medio de dispersión.

Dependiendo del tamaño de las partículas de la fase dispersa, pueden sedimentarse rápidamente (con r < 1 μm), pegarse a las paredes del recipiente o pegarse entre sí (con r < 0,01 μm). Las partículas de tamaños intermedios tienen la mayor estabilidad.

Los aerosoles se caracterizan por los fenómenos de termoforesis, termoprecipitación y fotoforesis.

Las propiedades ópticas de los aerosoles son similares a las propiedades de los liosoles, pero la dispersión de la luz por ellos es mucho más pronunciada debido a las grandes diferencias en los índices de refracción de la fase dispersa y el medio de dispersión.

La especificidad de las propiedades eléctricas de los aerosoles es que no se produce EDL en las partículas; la carga de las partículas es aleatoria y de pequeña magnitud. Cuando las partículas se juntan, no se produce repulsión electrostática y se produce una rápida coagulación.

La destrucción de aerosoles es un problema importante y se lleva a cabo mediante sedimentación, coagulación, recolección de polvo y otros métodos.

Los polvos son sistemas dispersos altamente concentrados en los que la fase dispersa son partículas sólidas y el medio de dispersión es aire u otro gas. Símbolo: T/G.

En los polvos, las partículas de la fase dispersa están en contacto entre sí. Tradicionalmente, la mayoría de los materiales a granel se clasifican como polvos, pero en un sentido estricto el término "polvos" se aplica a sistemas altamente dispersos con un tamaño de partícula menor que un cierto valor crítico en el cual las fuerzas de interacción entre partículas se vuelven proporcionales a la masa de la materia. partículas. Los más comunes son los polvos con tamaños de partículas de 1 a 100 micrones. La superficie interfacial específica de estos polvos varía desde varios m11.09.2011 (hollín) hasta fracciones de m2/g (arenas finas).

Los polvos se diferencian de los aerosoles con una fase sólida dispersa (también T/G) por una concentración mucho mayor de partículas sólidas. El polvo se obtiene a partir de un aerosol con una fase sólida dispersa durante su sedimentación. La suspensión (S/L) también se convierte en polvo cuando se seca. Por otra parte, a partir de un polvo se puede obtener tanto un aerosol como una suspensión.

CLASIFICACIÓN DE POLVOS

1. Según la forma de las partículas:

Equiaxial (tiene aproximadamente las mismas dimensiones en tres ejes);

Fibroso (la longitud de las partículas es mucho mayor que el ancho y el espesor);

Plano (el largo y el ancho son mucho mayores que el grosor).

2. Según la interacción entre partículas:

Conectivamente dispersas (las partículas están unidas entre sí, es decir, el sistema tiene alguna estructura);

Se dispersa libremente (la resistencia al corte se debe únicamente a la fricción entre las partículas).

3. Clasificación por tamaño de partícula de la fase dispersa:

Arena (2≤10 -5 ≤ d ≤ 2∙10 -3) m;

Polvo (2∙10 -6 ≤ d ≤ 2∙10 -5) m;

Polvo (d< 2∙10 -6) м.

MÉTODOS PARA LA OBTENCIÓN DE POLVOS

Los polvos, como cualquier otro sistema disperso, se pueden obtener mediante dos grupos de métodos:

Por parte de los sistemas gruesos - mediante métodos de dispersión;

Por parte de las soluciones verdaderas, mediante métodos de condensación.

La elección del método depende de la naturaleza del material, la finalidad del polvo y factores económicos.

MÉTODOS DE DISPERSIÓN

Las materias primas se trituran en molinos de rodillos, bolas, vibratorios o coloidales, con posterior separación en fracciones, ya que como resultado de la trituración se obtienen polvos polidispersos (por ejemplo, la harina del mismo tipo puede contener partículas de 5 a 60 micrones). .

Se puede lograr una dispersión eficaz triturando suspensiones muy concentradas.

Para facilitar la dispersión se utilizan reductores de dureza, que son tensioactivos. De acuerdo con la regla de ecualización de polaridad, cuando se adsorben en la superficie del sólido molido, reducen la tensión superficial, reduciendo el consumo de energía durante la dispersión y aumentando la dispersión de la fase terrestre.

En algunos casos, el material se trata previamente antes de la dispersión. Así, el titanio o el tantalio se calientan en una atmósfera de hidrógeno, se convierten en hidruros, que se trituran y se calientan al vacío: se obtienen polvos metálicos puros.

En la producción de polvos en escamas, que se incluyen en pinturas y composiciones pirotécnicas, se utilizan molinos de bolas para la molienda. Las bolas aplanan y hacen rodar las partículas del material triturado.

Los polvos con partículas esféricas hechos de metales refractarios (tungsteno, molibdeno, niobio) se obtienen en plasma de arco a baja temperatura y descarga de alta frecuencia. Al pasar por la zona de plasma, las partículas se funden y toman forma esférica, luego se enfrían y solidifican.

Durante la dispersión, la composición química del material no cambia.

MÉTODOS DE CONDENSACIÓN

Estos métodos se pueden dividir en dos grupos.

El primer grupo de métodos está asociado con la deposición de partículas debido a la coagulación de soles liófobos. Como resultado de la evaporación de la solución o la sustitución parcial del disolvente (disminución de la solubilidad), se forma una suspensión y, tras su filtración y secado, se obtienen polvos.

El segundo grupo de métodos está asociado con reacciones químicas (condensación química). Los métodos de condensación química se pueden clasificar según el tipo de reacción utilizada:

1. Reacciones de intercambio entre electrolitos. Por ejemplo, la tiza precipitada (polvo de dientes) se obtiene como resultado de la reacción:

Na 2 CO 3 + CaC1 2 = CaCO 3 + 2 NaCl.

2. Oxidación de metales.

Por ejemplo, el óxido de zinc altamente disperso, que es el componente principal del blanco de zinc, se obtiene oxidando vapor de zinc con aire a 300°C.

3. Oxidación de hidrocarburos.

Varios tipos de hollín, que se utilizan en la producción de caucho, plásticos y tintas de impresión, se producen quemando hidrocarburos gaseosos o líquidos en ausencia de oxígeno.

4. Reducción de óxidos metálicos.

La reducción con gas natural, hidrógeno o agentes reductores sólidos se utiliza para producir polvos metálicos altamente dispersos.

Y mucho más, sin el cual la vida misma es impensable. Todo el cuerpo humano es un mundo de partículas que están en constante movimiento estrictamente de acuerdo con ciertas reglas que obedecen a la fisiología humana. Los sistemas coloidales de organismos tienen una serie de propiedades biológicas que caracterizan un estado coloidal particular: 2.2 Sistema coloidal de células. Desde el punto de vista de la fisiología químico-coloide...

deja que se mezclen norte químicamente no reactivo entre ellos ideal gases Se supone que se conocen los parámetros termodinámicos iniciales del estado de todos los componentes antes de la mezcla y las condiciones de mezcla (condiciones de interacción con el medio ambiente). necesidad de encontrar equilibrio Parámetros del estado de los gases después de la mezcla.

Consideremos dos casos de mezcla, suponiendo por simplicidad que este proceso ocurre sin intercambio de calor con el medio ambiente .

2.1. Mezclando en W=constante

En este caso, las condiciones de mezcla son tales que el volumen de la mezcla resultante W. cm es igual a la suma de los volúmenes iniciales de los componentes de la mezcla. WH yo:

(No confundir WH yo con volúmenes parciales yo, discutido en el párrafo 1.4.3.)

Denotemos:

P H yo– presión inicial i th gas;

T H yo,t ho yo– temperatura inicial i-ésimo gas respectivamente en 0 A o 0 CON.

Porque todo el sistema desde norte gases cuando se mezclan en condiciones W=constante no realiza trabajo externo, entonces de acuerdo con la primera ley de la termodinámica para este caso () podemos escribir:

Aquí: Ud. cm – energía interna de una mezcla de gases que pesan metro cm kilogramos

con temperatura T 0 K;

uh yo- energía interna iª masa de gas yo yo kilogramos

con temperatura inicial T H yo .

Introduzcamos la siguiente notación:

tu cm – energía interna específica de una mezcla de gases a temperatura T 0 K;

u Hola yo – energía interna específica i-ésimo gas con temperatura inicial T H yo .

Entonces la ecuación (2.1.1) toma la siguiente forma:

(2.1.2)

Como es sabido, para un gas ideal du=C v dT, de donde, al contar la energía interna de 0 0K se puede escribir:

Aquí: - promedio en el rango 0 T 0 K capacidad calorífica isocórica masiva de una mezcla de gases;

Promedio en rango 0 T H yo 0 K capacidad calorífica isocórica masiva iº gas.

Después de sustituir (2.1.3) en (2.1.2) obtenemos:

Pero de acuerdo con el párrafo 1.4.10, la capacidad calorífica másica real de una mezcla de gases se expresa en términos de fracciones de masa de los componentes. yo y sus verdaderas capacidades caloríficas de la siguiente manera:

De manera similar, el promedio en el rango 0 T 0 K La capacidad calorífica isocórica másica de una mezcla de gases se determina como:

Sustituyendo esta expresión en el lado izquierdo de la ecuación (2.1.4) obtenemos:

de donde (2.1.5)

Porque de la ecuación de estado, luego después de la sustitución yo yo en la ecuación (2.1.5) finalmente obtenemos la fórmula para la temperatura de la mezcla norte gases:

Como es sabido, por tanto la fórmula (2.1.6) se puede escribir de la siguiente forma:

(Cabe recordar que el producto es el promedio en el rango 0- T H yo 0 Kmolar capacidad calorífica isocórica iº gas.)

En la literatura de referencia, a menudo se dan dependencias empíricas de la capacidad calorífica de la temperatura para el rango 0 t 0 C .

Después de sustituir (2.1.8) y (2.1.9) en la ecuación (2.1.2) obtenemos:

Reemplazo yo yo su valor, finalmente obtenemos la fórmula para la temperatura de la mezcla de gases en grados Celsius :

expresando ri a través de la masa molecular, obtenemos otra fórmula:

Los denominadores de las fórmulas (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) y (2.1.11) contienen capacidades caloríficas promedio, para las cuales la temperatura de la mezcla se utiliza como límite superior del promedio ( t o t), por determinar. Debido a esto, la temperatura de la mezcla está determinada por estas fórmulas. método de aproximaciones sucesivas .

2.1.1. Casos especiales de mezcla de gases durante W=constante

Consideremos varios casos especiales de fórmulas (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) y (2.1.11).

1. Deje que se mezclen gases, para los cuales la dependencia del exponente adiabático k yo La temperatura se puede despreciar.

(De hecho A disminuye al aumentar la temperatura, porque

Dónde s o r , A son coeficientes empíricos positivos.

Para cálculos técnicos en el rango de 0 a 2000 0 C, se pueden utilizar las siguientes fórmulas:

a) para gases diatómicos A 1,40 - 0,50 10 -4 t;

b) para productos de combustión A 1,35 - 0,55 10 -4 t.

De estas fórmulas queda claro que el efecto de la temperatura sobre el índice adiabático A se vuelve perceptible sólo a temperaturas del orden de cientos de grados Celsius).

Así, si suponemos que

entonces la fórmula (2.1.6) tomará la siguiente forma:

La fórmula (2.1.12) se puede utilizar como primera aproximación a las fórmulas (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) y (2.1.11).

2. Supongamos que se mezclan gases cuyas capacidades caloríficas isocóricas molares son iguales y se puede despreciar la dependencia de estas capacidades caloríficas de la temperatura, es decir:

Entonces la ecuación (2.1.7) toma una forma muy simple:

Si los gases tienen capacidades caloríficas isocóricas molares iguales, entonces, de acuerdo con la ecuación de Mayer

Las capacidades caloríficas isobáricas molares deben ser iguales entre sí y, por tanto, los exponentes adiabáticos deben ser iguales, es decir

Bajo esta condición, la ecuación (2.1.12) se convierte en (2.1.13).

2.1.2. Presión después de mezclar gases a W=constante

La presión establecida después de mezclar los gases puede determinarse mediante las fórmulas del punto 1.4.2 o a partir de la condición:

R centímetro W. centímetros = metro centímetro R centímetro t= metro centímetro t.