Pustite v ločene termostatirane posode pod enakim tlakom str obstajajo plini A in IN, vzeto v količinah in molih. Ko so te posode povezane, pride do spontanega mešanja plinov, dokler se ne vzpostavi homogena sestava mešanice plinov v celotnem volumnu sistema. Predpostavili bomo, da so izvorni plini in njihove mešanice podrejeni enačbam stanja idealnih plinov. Nato ob ohranjanju konstantnega skupnega tlaka plina str bosta parcialna tlaka plinov v nastali mešanici enaka

Pri mešanju idealnih plinov ni toplotnih učinkov, zato ni izmenjave toplote med plini in termostatom, sprememba entropije sistema pa bo popolnoma odvisna od ireverzibilnosti procesov v sistemu.

Da bi našli želeno spremembo entropije, je treba opisani spontani proces primerjati z miselnim ravnotežnim prehodom med istim začetnim in končnim stanjem sistema.

Za ravnotežno mešanje plinov bomo uporabili posebno hipotetično napravo, po analogiji s termostatom, imenovano kemostat. . Ta naprava je sestavljena iz termostatsko nadzorovanega cilindra, opremljenega z gibljivim batom brez trenja; na dnu valja je membrana, ki je selektivno prepustna samo za dano posamezno kemikalijo; slednji loči posamezno snov, naloženo v kemostat, od mešanice snovi, ki se preučuje, ki se nahaja v drugi posodi. Za razliko od termostata, ki je zasnovan za vzdrževanje določene temperature telesa, potopljenega vanj, ali za ogrevanje ali hlajenje slednjega v ravnotežnem načinu, s pomočjo kemostata zagotavljajo vzdrževanje določene vrednosti kemičnega potenciala danega posamezne snovi v zmesi proučevanih snovi ter ravnotežni dovod in odvzem snovi iz zmesi. Kemični potencial i - kemična komponenta v kemostatu je enolično določena s temperaturo T in tlak, ki nastane na batu. S spreminjanjem tlaka na batu je mogoče spremeniti smer prehoda določene komponente skozi selektivno membrano: če je kemijski potencial komponente v proučevani mešanici, potem, ko bo snov dodana mešanici , ko – bo odstranjen iz mešanice in ko se vzdržuje kemijsko ravnovesje med kemostatom in mešanico. Kvaziravnotežna sprememba sestave zmesi ustreza difuzijskemu prenosu snovi skozi membrano pod vplivom zelo majhne razlike v vrednostih kemijskega potenciala na obeh straneh membrane.

Kemijski potencial idealnega plina, ne glede na to, ali je ta plin v posameznem stanju ali v zmesi z drugimi idealnimi plini, je izražen s preprosto zvezo kjer je str i je tlak čistega plina ali njegov parcialni tlak v mešanici. Zato je pri prehodu idealnega plina skozi polprepustno membrano ravnotežje med mešanico in kemostatom označeno z enakostjo tlaka v kemostatu in parcialnega tlaka plina v zmesi.

riž. 2.3. Ravnotežno mešanje dveh plinov z uporabo kemostatov: a– začetno stanje sistema; b– stanje sistema po izotermični ekspanziji plinov; V– končno stanje po mešanju plinov skozi membrane; 1 – posamezni plinski kemostati A in B ; 2 – polprepustne membrane; 3 – posoda za ravnotežno mešanje plinov.

Ravnotežno mešanje idealnih plinov A in B se bo izvajalo v termostatiranem sistemu, sestavljenem iz dveh kemostatov posameznih komponent A in B, priključen na tretjo posodo - zbirko nastale mešanice, opremljeno, tako kot kemostati, s premičnim batom (slika 2.3).

Naj v začetnem trenutku kemostati vsebujejo mole komponente A in moli komponente B pod enakim pritiskom str ; bat v mešalnem zbiralniku je v ničelnem položaju (prostornina plina pod batom je nič). Postopek mešanja poteka v dveh fazah. Na prvi stopnji izvedemo reverzibilno izotermno ekspanzijo plinov A in B; medtem ko pritisk A zmanjšati od str na nastavljeni tlak in tlak B ustrezno od str do . Prostornine, ki jih zasedajo plini v prvem in drugem kemostatu, se bodo spreminjale od do oziroma od do . Delo, ki ga opravi raztezni plin v prvem kemostatu, je enako ; v drugem . Tako se na prvi stopnji v naši hipotetični napravi opravi celotno delo. Ker se med izotermično ekspanzijo idealnega plina njegova notranja energija ne spremeni, se to delo izvaja zaradi enakovrednega dovajanja toplote iz termostata. Zato bo reverzibilna sprememba entropije v sistemu enaka

Na drugi stopnji procesa (samem mešanju) s sinhroniziranim gibanjem treh batov prevedemo pline iz kemostatov skozi selektivne membrane v rezervoar mešanice. Hkrati se vzdržuje stalen tlak na vsakem od batov, tako v kemostatih kot v kolektorju, kar zagotavlja ravnotežni prehod plinov skozi membrane (natančneje, v kolektorju se ustvari tlak, ki je nekoliko manj str , ohranjanje neničelne gonilne sile za difuzijo skozi membrane). Reverzibilnost procesa mešanja je v tem primeru zagotovljena z možnostjo sinhronega spreminjanja smeri gibanja vseh treh batov, kar bi vodilo do obratne delitve mešanice na posamezne komponente. Po končani operaciji bo zmes očitno zasedla prostornino .

Ker v primeru idealnih plinov mešanja ne spremlja noben toplotni učinek, v drugi fazi delovanja med našo napravo in termostatom ni izmenjave toplote. Posledično na tej stopnji ni spremembe v entropiji sistema.

Koristno je z neposrednim izračunom preveriti, da je delo, ki ga opravijo plini v drugi stopnji, enako nič. Dejansko se delo porabi za premikanje batov v kemostatih, medtem ko se istočasno opravi enako delo v zbiralniku plinov. Od tukaj.

Torej je skupno povečanje entropije med mešanjem plinov določeno z izrazom (2.9), . Če je v ravnotežnem primeru mešanja to povečanje povezano s povratno dobavo toplote in proizvodnjo enakovrednega dela , potem pri neposrednem (nepovratnem) mešanju plinov pride do enakega povečanja entropije zaradi njenega nastajanja znotraj sistema; sistem ne opravlja nobenega dela.

Po zamenjavi (2.8) lahko izraz (2.9) prepišemo kot

. (2.10)

Temu razmerju je zaradi navideznega paradoksa dano obvezno mesto v tečajih termodinamike. Omeniti velja, da za spremembo entropije (pri mešanju idealnih plinov!) ni pomembno, kaj se čemu meša, pa tudi pri kakšnem tlaku in temperaturi. V bistvu tukaj podajamo neformalno izpeljavo (2.10).

Dopolnimo sklep (2.10) z njegovimi koristnimi posledicami. Predstavitev molskih deležev komponent in dobimo izraz za spremembo entropije na 1 mol nastale mešanice:

. (2.11)

Največja vrednost te funkcije se pojavi pri ekvimolarni mešanici plinov, 0,5.

Z vidika teorije ločevanja zmesi snovi je zanimivo izslediti spremembo proizvodnje entropije pri dodajanju dovolj velikega števila molov komponente. B na en mol komponente A. Če nastavimo v (2.10) in , dobimo

Pri izpeljavi (2.12) je bil uporabljen matematični prikaz logaritemske funkcije

.

Formula (2.12) kaže, da zaporedno redčenje zmesi spremlja neskončno povečanje entropije na mol nečistoče.

Formula (2.10) podaja integralno vrednost prirastka entropije pri mešanju končnih količin plina. Da bi prišli do kompaktnega diferencialnega izraza, podobnega formuli (2.7) za prenos toplote, spremenimo model mešanja komponent (glej sliko 2.4). Predvidevamo, da mešanje poteka skozi membrano, prepustno za obe komponenti, ali skozi dovolj ozek ventil, ki ločuje posode, napolnjene z mešanicami. A in B različne sestave. Sistem je termostatiran, konstanten tlak pa se v obeh posodah vzdržuje s pomočjo batov str . Z omejeno hitrostjo mešanja se lahko šteje, da je sestava mešanice v vsaki posodi homogena glede na prostornino posode. Tako je ta sistem podoben sistemu za izmenjavo toplote s šibko prevodno pregrado.

Mešanje plinov. Molekularna in molarna (turbulentna) difuzija

Molekularna difuzija- proces medsebojnega prodiranja molekul enega plina v drugega, ki vodi do tvorbe popolne mešanice, opazimo v stacionarnih plinih in v laminarnih tokovih.

Pri molekularni difuziji je mešanje plinov določeno s toplotnim gibanjem molekul. Čeprav hitrost gibanja molekul W v povprečju je zelo velika, dolžina proste poti / je majhna. Zato molekularna difuzija poteka precej počasi. Količina plina, ki difundira iz ene plasti v drugo, je po Fickovem zakonu enaka

kjer je koeficient molekularne difuzije, m 2 /s; dC/dn -

koncentracijski gradient difuzijskega plina, kg/m4.

Ko se temperatura dvigne D in povečanje intenzivnosti difuzije. Velikost D se lahko določi z uporabo Sutherlandove formule, ki jo je spremenil N.D. Kosova:

kjer je D)12 koeficient difuzije enega plina (1) v drug (2) plin pri tlaku pQ in temperaturo 7o; Q in C2 sta Sutherlandova koeficienta za sestavine mešanice, K (za metan C = 198, zrak - 119, dušik - 107,0 2 - 138, C0 2 - 255); p 0, G 0 - vrednost tlaka oziroma temperature v normalnih fizičnih pogojih (po= 1,01 10 5 Pa; T 0= 273 K).

Pogosto se uporablja za določanje koeficienta molekularne difuzije D uporablja se preprosta formula moči

kje n- empirični koeficient

Odvisnosti difuzijskih koeficientov večkomponentne mešanice so bolj zapletene (glej str. 80).

V turbulentnem toku je difuzija, kot tudi prenos toplote in notranje trenje, povezana s turbulentnim prenosom in mešanjem končnih makroskopskih mas plina - turbulentnih molov. Velikosti teh molov in poti njihovega gibanja pred mešanjem so različne; obstaja spekter vrednosti za te količine. Gibanje nočnih metuljev je po naravi pulzirajoče, hitrosti njihovega gibanja so hitrosti pulzacij čez tok. Pri nizkih številih Re opazimo pulzacije velikega obsega; turbulentne hitrosti se bistveno spremenijo le na velikih razdaljah. Pod pulzna lestvica(turbulenca) razumeti vrstni red dolžine, na kateri pride do pomembne spremembe hitrosti. Frekvence velikih pulzacij so nizke.

Z naraščanjem Re se poleg velikih pulzacij pojavijo tudi visokofrekvenčne pulzacije majhnega obsega. Lestvica pulzacij velikega obsega je reda določitvenih dimenzij sistema (. D, I kanal ali prosti curek itd.). Pulzacije velikega obsega določajo procese turbulentnega mešanja: notranje trenje, difuzijo in prenos toplote. Majhna pulziranja izvajajo viskozno disipacijo. Energija iz velikih molov se prenese na majhne in jih ti razpršijo. Mešanje med turbulentno difuzijo je dokončano zaradi molekularne difuzije.

Z uporabo dimenzijskih premislekov in analogije s procesi molekularnega prenosa uvedemo koncept koeficient turbulentnega prenosa A T, ki označuje notranje trenje, difuzijo in prenos toplote v turbulentnem toku:

kje G- skala turbulence, dolžina turbulentnega gibanja

molitev do mešanja (analogno /); - povprečni kvadratni koren

utripajoča hitrost.

Koeficient A t je tudi koeficient turbulentne difuzije D T turbulentna toplotna difuzivnost a t in viskoznost (v T). Ni odvisna od lastnosti plina in je določena z značilnostmi turbulence.

Z zamenjavo (3.57) v (3.56) dobimo Prandtlovo formulo

Relacija (3.58) nam omogoča oceno koeficientov prenosa v turbulentnem toku. Za izračun procesov prenosa (difuzije) lahko uporabite relacije (enačbe), povezane z molekularnimi procesi, ki jih nadomestite D, a, V na D T, in t, vx. Kadar je vpliv turbulentnega in molekularnega transporta primerljiv, uvedemo skupne koeficiente.

Reševanje velikega števila tehničnih problemov pogosto vključuje mešanje različnih plinov (tekočin) ali različnih količin istega plina (tekočine) v različnih termodinamičnih stanjih. Za organizacijo izpodrivnih procesov je bil razvit precej širok izbor najrazličnejših mešalnih naprav in aparatov.

Pri termodinamični analizi mešalnih procesov se naloga običajno zmanjša na določitev parametrov stanja zmesi iz znanih parametrov stanja začetnih komponent mešanja.

Rešitev tega problema bo drugačna glede na pogoje, pod katerimi se ta postopek izvaja. Vse metode za nastanek zmesi plinov ali tekočin, ki se pojavljajo v realnih pogojih, lahko razdelimo v tri skupine: 1) postopek mešanja v konstantnem volumnu; 2) postopek mešanja v toku; 3) mešanje pri polnjenju volumna.

Za procese mešanja se običajno šteje, da potekajo brez izmenjave toplote med mešalnim sistemom in okoljem, tj. potekajo adiabatno. Mešanje ob prisotnosti izmenjave toplote lahko razdelimo na dve stopnji: adiabatsko mešanje brez izmenjave toplote in izmenjavo toplote v nastali mešanici z okoljem.

Da bi poenostavili sklepe, razmislimo o mešanju dveh realnih plinov. Hkratno mešanje treh ali več plinov je mogoče ugotoviti z uporabo formul za izračun za dva plina z zaporednim dodajanjem nove komponente.

Vsi primeri mešanja so ireverzibilni procesi, že zato, ker ločevanje mešanice na njene komponente nujno zahteva izdatke dela. Kot pri vsakem ireverzibilnem procesu tudi med mešanjem pride do povečanja entropije S c sistemi in ustrezna izguba zmogljivosti (eksergija): De = T o.s. S c, kje Tо.с – temperatura okolja.

Pri mešanju plinov z različnimi tlaki in temperaturami nastanejo dodatne izgube v delovanju zaradi ireverzibilne izmenjave toplote med mešanimi plini in zaradi neizkoriščanja njihove razlike v tlaku. Povečanje entropije med mešanjem se torej pojavi tako zaradi dejanskega mešanja (difuzije) po naravi različnih plinov ali tekočin kot tudi zaradi izenačevanja temperatur in tlakov mešanih snovi.

Oglejmo si možne načine mešanja.

2.1. Postopki mešanja s konstantnim volumnom

Naj nekaj toplotno izolirana posoda volumna V razdeljen s pregrado na dva oddelka, od katerih eden vsebuje plin (tekočino) s parametri str 1, u 1, T 1 , U 1, v drugem pa drug plin (tekočina) s parametri str 2, u 2, T 2 , U 2, (slika 2.1).

riž. 2.1. Shema postopka mešanja

v konstantnem volumnu

Označujemo maso plina v enem prekatu oziroma prostornino tega prekata m 1 in V 1 in v drugem predelu - m 2 in V 2. Ko odstranimo ločilno pregrado, se bo vsak plin z difuzijo razširil na celotno prostornino in dobljena prostornina zmesi bo očitno enaka vsoti V = V 1 + V 2. Zaradi mešanja se izenačijo tlak, temperatura in gostota plina v celotni prostornini posode. Označimo vrednosti parametrov stanja plina po mešanju str,u, T, U.

V skladu z zakonom o ohranitvi energije bo imela nastala mešanica plinov notranjo energijo, ki je enaka vsoti notranjih energij vsakega plina:

U = U 1 + U 2

m 1 u 1 + m 2 u 2 = (m 1 + m 2) u = mu. (2.1)

Specifična notranja energija plina po mešanju se določi na naslednji način:

. (2.2)

Podobno je specifična prostornina mešanice enaka:

. (2.3)

Kar zadeva preostale parametre plina po mešanju ( str, T, S), potem jih za pline in tekočine ni mogoče analitično izračunati v splošni obliki preko vrednosti parametrov komponent mešanice. Če jih želite določiti, morate uporabiti U, u-diagram na katerem so narisane izobare in izoterme oz U, T- diagram z označenimi izohorami in izobarami (za mešanje istega plina) ali tabele termodinamičnih lastnosti plinov in tekočin. Po določitvi z razmerji (2.2) in (2.3) u plina po mešanju lahko ugotovimo iz diagramov ali tabel str, T, S.

Vrednote str, T in S pline po mešanju lahko neposredno izrazimo preko znanih vrednosti parametrov stanja mešanih deležev samo za idealne pline. Označimo povprečno vrednost toplotne kapacitete prvega plina v temperaturnem območju od T 1 do T skozi in drug plin v temperaturnem območju od T 2 do T skozi
.

Glede na to
;
;
iz izraza (2.2) dobimo:

T =
oz T =
, (2.4)

kje g 1 in g 2 – masni deleži idealnih plinov, ki sestavljajo zmes.

Iz enačbe stanja idealnih plinov sledi:

m 1 = ;m 2 = .

Po zamenjavi masnih vrednosti v (2.4) je mogoče iz izraza najti temperaturo mešanice plinov

T =
. (2.5)

Tlak zmesi idealnih plinov definiramo kot vsoto parcialnih tlakov komponent plinske zmesi
, kjer so parcialni tlaki in se določijo z uporabo Clapeyronove enačbe.

Povečanje entropije S c sisteme iz ireverzibilnega mešanja najdemo z razliko v vsotah entropij plinov, vključenih v zmes po mešanju, in začetnih komponent pred mešanjem:

S = S – (m 1 S 1 + m 2 S 2).

Za mešanico idealnih plinov pri mešanju dveh plinov.

S c = m[(g 1 C str 1 + g 2 C str 2) ln T – (g 1 R 1 + g 2 R 2) ln str]–

– [m 1 (C str 1 ln T 1 – R ln str 1) + m 2 (C str 2 ln T 2 – R ln str 2)]–

–m(R 1 g 1 ln r 1 + R 2 g 2 ln r 2),

kje r i– prostorninski delež idealnih plinov, ki sestavljajo zmes;

R– plinska konstanta zmesi, določena z enačbo:

R = g 1 R 1 + g 2 R 2 .

Diagram eksergije in anergije za mešanje v konstantnem volumnu je prikazan na sl. 2.2.

riž. 2.2. Diagram eksergije in anergije pri

mešanje v konstantnem volumnu:
– izguba specifične eksergije med mešanjem

2. Mešanje plinov in hlapov z različnimi temperaturami.

Tako nastanejo atmosferske megle. Najpogosteje se megla pojavi v jasnem vremenu ponoči, ko se zemeljska površina, ki intenzivno oddaja toploto, močno ohladi. Topel, vlažen zrak pride v stik z Zemljo, ki se ohlaja, ali s hladnim zrakom blizu njene površine in v njej nastanejo kapljice tekočine. Enako se zgodi pri mešanju tople in hladne zračne fronte.

3. Hlajenje plinske mešanice, ki vsebuje paro.

Ta primer lahko ponazorimo s primerom kotlička, v katerem je zavrela voda. Iz izliva uhaja vodna para, ki je nevidna, ker ne razpršuje svetlobe. Nato se vodna para hitro ohladi, voda v njej kondenzira in že na kratki razdalji od izliva kotlička vidimo mlečni oblak - meglo, ki je postala vidna zaradi sposobnosti razprševanja svetlobe. Podoben pojav opazimo, ko odpremo okno na mrazen dan. Obstojnejši aerosol nastane, ko olje, ki vre v ponvi, ustvari v prostoru plin (oljni aerosol), ki ga odstranimo le z dobrim prezračevanjem prostora.

Poleg tega lahko kondenzacijski aerosol nastane kot posledica plinskih reakcij, ki vodijo do nastanka nehlapnih produktov:

· pri zgorevanju goriva nastajajo dimni plini, katerih kondenzacija povzroči pojav zgorevalnega dima;

· pri gorenju fosforja na zraku nastaja bel dim (P 2 O 5);

· pri interakciji plinastega NH 3 in HC1 nastane dim MH 4 C1 (sv);

· oksidacijo kovin v zraku, ki se pojavi v različnih metalurških in kemičnih procesih, spremlja nastajanje hlapov, sestavljenih iz delcev kovinskih oksidov.

DISPERZIJSKE METODE

Disperzivni aerosoli nastanejo pri mletju (pršenju) trdnih in tekočih teles v plinastem okolju in pri prehodu praškastih snovi v suspendirana stanja pod delovanjem zračnih tokov.

Pršenje trdnih snovi poteka v dveh stopnjah:

mletje in nato brizganje. Prenos snovi v aerosolno stanje je treba izvesti v času nanosa aerosola, saj za razliko od drugih disperznih sistemov - emulzij, suspenzij, aerosolov ni mogoče pripraviti vnaprej. V gospodinjstvu je skoraj edino sredstvo za pridobivanje tekočih in praškastih aerosolov naprava, imenovana "aerosolni paket" ali "aerosolna pločevinka". Snov v njem je pakirana pod pritiskom in razpršena z uporabo utekočinjenih ali stisnjenih plinov.

SPLOŠNE ZNAČILNOSTI AEROSOLOV

Lastnosti aerosolov določajo:

Narava snovi disperzne faze in disperzijskega medija;

Delna in masna koncentracija aerosola;

Velikost delcev in porazdelitev velikosti delcev;

Oblika primarnih (neagregiranih) delcev;

struktura aerosola;

Naboj delcev.

Za karakterizacijo koncentracije aerosolov se tako kot pri drugih disperznih sistemih uporabljata masna koncentracija in numerična (delna) koncentracija.

Masna koncentracija je masa vseh suspendiranih delcev na prostorninsko enoto plina.

Številčna koncentracija je število delcev na prostorninsko enoto aerosola. Ne glede na to, kako velika je številčna koncentracija v trenutku nastanka aerosola, po nekaj sekundah ne more preseči 10 3 delcev/cm 3 .

VELIKOST AEROSOLNIH DELCEV

Najmanjša velikost delcev je določena z možnostjo obstoja snovi v agregatnem stanju. Tako ena molekula vode ne more tvoriti plina, tekočine ali trdne snovi. Za tvorbo faze so potrebni agregati vsaj 20-30 molekul. Najmanjši delec trdne ali tekočine ne sme biti manjši od 1 10 -3 mikronov. Da bi plin obravnavali kot neprekinjen medij, morajo biti velikosti delcev veliko večje od proste poti molekul plina. Zgornja meja velikosti delcev ni strogo določena, vendar delci, večji od 100 mikronov, ne morejo dolgo ostati v zraku.

MOLEKULARNO-KINETIČNE LASTNOSTI AEROSOLOV

Značilnosti molekularno kinetičnih lastnosti aerosolov so posledica:

Nizka koncentracija delcev disperzne faze - če torej 1 cm 3 zlatega hidrosola vsebuje 10 16 delcev, potem enaka prostornina zlatega aerosola vsebuje manj kot 10 7 delcev;

Nizka viskoznost disperzijskega medija - zraka, torej nizek koeficient trenja (B), ki nastane med gibanjem delcev;

Nizka gostota disperzijskega medija, torej ρ del » ρ plin.

Vse to vodi v dejstvo, da se gibanje delcev v aerosolih pojavlja veliko bolj intenzivno kot v liosolih.

Razmislimo o najpreprostejšem primeru, ko je aerosol v zaprti posodi (tj. Zunanji zračni tokovi so izključeni) in imajo delci sferično obliko s polmerom r in gostoto p. Na tak delec istočasno delujeta gravitacijska sila, usmerjena navpično navzdol, in sila trenja v ravno nasprotni smeri. Poleg tega je delec v Brownovem gibanju, posledica česar je difuzija.

Za količinsko opredelitev procesov difuzije in sedimentacije v aerosolih lahko uporabite vrednosti

specifični difuzijski tok i diff in

specifični sedimentacijski tok i sed. .

Če želite ugotoviti, kateri tok bo prevladal, upoštevajte njihovo razmerje:

V tem izrazu (p - p 0) » 0. Posledično bo velikost frakcije določena z velikostjo delcev.

Če je r > 1 μm, potem je i sed » i diff, kar pomeni, da difuzijo lahko zanemarimo - pride do hitre sedimentacije in delci se usedejo na dno posode.

Če je 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.

Tako iz aerosola hitro izginejo tako zelo majhni kot zelo veliki delci: prvi zaradi oprijema na stene ali adhezije, drugi zaradi usedanja na dno. Delci vmesnih velikosti imajo največjo stabilnost. Torej, ne glede na to, kako velika je številčna koncentracija delcev v trenutku nastanka aerosola, po nekaj sekundah ne preseže 10 3 delov/cm 3 .

ELEKTRIČNE LASTNOSTI AEROSOLOV

Električne lastnosti aerosolnih delcev se bistveno razlikujejo od električnih lastnosti delcev v liosolu.

1. EDL se ne pojavi na aerosolnih delcih, saj zaradi nizke dielektrične konstante plinastega medija v njem praktično ne pride do elektrolitske disociacije.

2. Naboj na delcih nastane predvsem zaradi neselektivne adsorpcije ionov, ki nastanejo v plinski fazi kot posledica ionizacije plina s kozmičnimi, ultravijoličnimi ali radioaktivnimi žarki.

3. Naboj delcev je po naravi naključen, pri delcih enake narave in velikosti pa je lahko različen tako po velikosti kot po predznaku.

4. Naboj delca se s časom spreminja tako po velikosti kot po predznaku.

5. V odsotnosti specifične adsorpcije so naboji delcev zelo majhni in običajno presegajo osnovni električni naboj za največ 10-krat.

6. Specifična adsorpcija je značilna za aerosole, katerih delce tvori visoko polarna snov, saj v tem primeru pride do precej velikega skoka potenciala na medfazni površini, zaradi površinske orientacije molekul. Na primer, na medfazni površini vodnih ali snežnih aerosolov je pozitiven električni potencial reda 250 mV.

Iz prakse je znano, da imajo delci aerosolov kovin in njihovih oksidov običajno negativen naboj (Zn, ZnO, MgO, Fe 2 0 3), delci aerosolov nekovin in njihovih oksidov (SiO 2, P 2 O 5) so pozitivno nabiti. Delci NaCl in škroba so pozitivno nabiti, delci moke pa negativni.

AGREGATIVNA STABILNOST. KOAGULACIJA

Za razliko od drugih razpršenih sistemov pri aerosolih ni interakcije med površino delcev in plinastim medijem, kar pomeni, da ni sil, ki bi preprečile adhezijo delcev med seboj in na makroskopska telesa ob trku. Tako so aerosoli agregatno nestabilni sistemi. Koagulacija v njih poteka po vrsti hitre koagulacije, to je, da vsak trk delcev povzroči njihovo lepljenje.

Hitrost koagulacije se hitro poveča z naraščajočo številčno koncentracijo aerosola.

Ne glede na začetno koncentracijo aerosola je po nekaj minutah v 1 cm 3 10 8 -10 6 delcev (za primerjavo, v liosolih je ~ 10 15 delcev). Tako imamo opravka z zelo razredčenimi sistemi.

METODE ZA UNIČENJE AEROSOLA

Kljub dejstvu, da so aerosoli agregatno nestabilni, je problem njihovega uničenja zelo pereč. Glavne težave, katerih rešitev zahteva uničenje aerosolov:

Čiščenje atmosferskega zraka pred industrijskimi aerosoli;

Zajem dragocenih izdelkov iz industrijskega dima;

Umetno škropljenje ali razprševanje oblakov in megle.

Aerosole uniči

· disperzija pod vplivom zračnih tokov ali zaradi nabojev istoimenskih delcev;

· usedanje;

· difuzija na stene posode;

· koagulacija;

· izhlapevanje delcev disperzne faze (pri aerosolih hlapljivih snovi).

Najstarejši čistilni objekt je dimnik. Škodljive aerosole poskušajo sproščati v ozračje čim višje, saj se nekatere kemične spojine, ki vstopajo v prizemno plast ozračja pod vplivom sončne svetlobe in kot posledica različnih reakcij, pretvorijo v manj nevarne snovi (v rudarstvu Norilsk). in Metalurški kombinat, na primer, trikanalna cev ima višino 420 m).

Vendar pa sodobna koncentracija industrijske proizvodnje zahteva predhodno obdelavo emisij dima. Za uničenje aerosolov je bilo razvitih veliko metod, vendar je vsaka od njih sestavljena iz dveh stopenj:

prvi je zajem razpršenih delcev, njihova ločitev od plina,

drugi je preprečevanje ponovnega vstopa delcev v plinasto okolje; to je posledica problema oprijema ujetih delcev in tvorbe obstojne usedline iz njih.

AEROSOLNI CILINDRI

Načelo delovanja aerosolne pločevinke je, da se zdravilo, ki je v embalaži, zmeša s tekočino za izčrpavanje, katere nasičen parni tlak v temperaturnem območju, pri katerem deluje embalaža, je višji od atmosferskega.

Zmes se sprosti iz cilindra pod vplivom tlaka nasičene pare nad tekočino.

Znano je, da nasičeni parni tlak katere koli stabilne snovi določa samo temperatura in ni odvisen od prostornine. Zato bo v celotnem času delovanja valja tlak v njem ostal konstanten, zato bosta razpon leta delcev in kot pršilnega stožca skoraj konstantna.

Glede na naravo interakcije razpršene snovi z izčrpano tekočino in njeno agregatno stanje bodo sistemi v aerosolni embalaži sestavljeni iz različnega števila faz. V primeru medsebojne topnosti komponent nastane homogena tekoča raztopina, v drugih primerih - emulzija ali suspenzija in končno heterogeni sistem, ko zdravilo in evakuacijska tekočina tvorita makroskopsko heterogen sistem. Očitno je, da v prvem primeru paket aerosola vsebuje dvofazni sistem - tekočino in nasičeno paro. Ko se emulzija ali suspenzija sprosti v ozračje, se zdrobi le disperzijski medij - nastali delci bodo v najboljšem primeru imeli dimenzije, kot so jih imeli v tekoči fazi.

Kadar se zdravilo in izčrpovalna tekočina ne mešata ali se med seboj mešata v omejenem obsegu, pri čemer je ena od tekočin dispergirana v drugi v obliki majhnih kapljic, nastanejo emulzije.

Narava sistema, ki nastane, ko izdelek zapusti embalažo v ozračje, je odvisna od tega, katera od tekočin je dispergirana faza. Če je dispergirana faza zdravilo, potem nastane aerosol. Če je dispergirana faza tekočina, ki se odvaja, dobimo peno. Velikost delcev, pridobljenih z uporabo aerosolnih pločevink, je odvisna od fizikalno-kemijskih lastnosti snovi, vključenih v pripravek, razmerja komponent, konstrukcijskih značilnosti pločevinke in temperaturnih pogojev njenega delovanja.

Stopnjo razpršenosti je mogoče prilagoditi: »s spreminjanjem velikosti izpusta;

S spreminjanjem nasičenega parnega tlaka izpraznjene tekočine;

S spremembo kvantitativnega razmerja zdravila in sredstva za evakuacijo.

EVACIRANJE SNOVI

Najpomembnejša pomožna komponenta je snov, ki zagotavlja sproščanje zdravila v ozračje in njegovo kasnejšo disperzijo. Te snovi se imenujejo pogonska sredstva (latinsko »pro-peilere« - poganjati). Pogonsko gorivo mora opravljati dve funkciji:

Ustvarite potreben pritisk za sprostitev zdravila;

Razpršen produkt, sproščen v ozračje. Kot pogonsko gorivo se uporabljajo freoni in stisnjeni plini. Freoni so organofluorne spojine z nizko molekulsko maso alifatske serije.

Za freone je bil sprejet naslednji sistem zapisov: zadnja številka (število enot) pomeni število atomov fluora v molekuli, prejšnja številka (število desetic) pomeni število vodikovih atomov, povečano za eno, tretja številka pa pomeni število atomov vodika v molekuli. (število stotin) pomeni število ogljikovih atomov, zmanjšano za eno. Na primer: F-22 je CHC1F 2, F-114 je C 2 C1 2 F 4.

Snovi, sestavljene iz molekul ciklične strukture, imajo tudi številčno oznako, vendar je črka "C" postavljena pred številke, na primer: C318 - C 4 F 8 (oktafluorociklobutan).

Kot stisnjeni plini se uporabljajo N2, N2O, CO2 itd.

PREDNOSTI AEROSOLNE EMBALAŽE

1. Prenos zdravila v fino razpršeno stanje se pojavi zaradi potencialne energije utekočinjenega pogonskega goriva in ne zahteva uporabe nobenih tujih naprav.

2. Za izdelavo aerosolov niso potrebni nastavki.

3. V časovni enoti se lahko precejšnja količina snovi razprši, da nastanejo majhni delci – če bi uporabili druge metode, bi bilo potrebne veliko več energije.

4. Način zamegljevanja je stabilen: velikost nastalih delcev, njihov razpon letenja in kot na vrhu stožca se med celotnim časom delovanja malo spreminjajo.

5. Doziranje razpršene snovi lahko določite vnaprej.

6. Nastavite lahko velikost delcev.

7. Stopnja polidisperznosti aerosola je nizka.

8. Vsi delci imajo enako kemično sestavo.

9. Zagotovljena je sterilnost razpršenih zdravil.

10. Zdravilo v embalaži ne pride v stik z zračnim kisikom, kar zagotavlja njegovo stabilnost.

11. Samodejno zapiranje ventila odpravlja možnost izgube zaradi razlitja ali izhlapevanja neuporabljenega dela izdelka.

12. Embalaža je vedno pripravljena za uporabo.

13. Embalaža je kompaktna. Omogoča individualno ali skupno uporabo.

Prve embalaže aerosolov so se pojavile v 80. letih. XX stoletje v Evropi. Med drugo svetovno vojno so ZDA prevzele pobudo za njihov razvoj. Leta 1941 je nastala aerosolna embalaža - uničevalec insektov, pakiran v stekleni posodi. Pogonsko gorivo je bil freon-12.

Proizvodnja v industrijskem obsegu se je začela po drugi svetovni vojni v ZDA in nato v drugih državah po svetu.

PRAKTIČNA UPORABA AEROSOLOV

Široka uporaba aerosolov je posledica njihove visoke učinkovitosti. Znano je, da povečanje površine snovi spremlja povečanje njene aktivnosti. Majhna količina snovi, razpršene v obliki aerosola, zavzame veliko prostornino in je zelo reaktivna. To je prednost aerosolov pred drugimi disperznimi sistemi.

Uporabljajo se aerosoli:

Na različnih področjih tehnologije, vključno z vojsko in vesoljem;

V kmetijstvu; »v zdravstvu;

V meteorologiji; v vsakdanjem življenju itd.

V zadnjem času se v farmacevtski praksi pogosto uporablja priprava dozirnih oblik v obliki aerosolov. Uporaba zdravilnih učinkovin v obliki aerosolov je primerna v primerih, ko je treba zdravilo nanesti na velike površine (akutne bolezni dihalnih poti, opekline itd.). Dozirne oblike, ki vsebujejo tekoče filmotvorne snovi, imajo velik učinek. Ko to zdravilo razpršimo na prizadeto območje, ga prekrijemo s tanko prozorno folijo, ki nadomesti povoj.

Oglejmo si podrobneje uporabo aerosolne embalaže.

Trenutno je v aerosolni embalaži več kot 300 vrst izdelkov.

Prva skupina: gospodinjske kemikalije.

Insekticidi so pripravki za uničevanje insektov.

Izdelki proti moljem.

Insekticidi za zdravljenje domačih živali.

Sredstva za zaščito sobnih rastlin ter pridelkov sadja in jagodičja pred glivičnimi boleznimi in škodljivci.

Laki in barve.

Osvežilci zraka.

c Sredstva za poliranje in čiščenje.

Druga skupina:

Parfumerija in kozmetika. »Izdelki za nego las (spreji, šamponi itd.).

Pene in geli za britje.

Kreme za roke in noge.

Olje za in proti porjavelosti.

deodoranti.

Parfumi, kolonjske vode, toaletne vode.

Tretja skupina: medicinski aerosoli.

Četrta skupina: tehnični aerosoli.

Mazalna olja.

Antikorozijski premazi.

Zaščitne folije. »Suha maziva.

Emulzije za hlajenje rezil na vrtalnih strojih.

Peta skupina: aerosoli za hrano.

AEROSOL ZA ŽIVILA

Prve jeklenke za hrano so se pojavile leta 1947 v ZDA. Vsebovale so kreme za dodelavo tort in peciva in so jih uporabljale le restavracije, ki so jih vračale v ponovno polnjenje. Masovna proizvodnja te vrste aerosolne embalaže se je začela šele leta 1958.

Aerosolno embalažo za živila lahko razdelimo v tri glavne skupine:

paketi, ki zahtevajo shranjevanje pri nizkih temperaturah;

pakiranje z naknadno toplotno obdelavo;

pakiranje brez naknadne toplotne obdelave.

V aerosolnih embalažah se proizvajajo tri vrste prehrambenih izdelkov: kreme, tekočine, paste. V aerosolnih paketih lahko kupite solatne prelive, topljene sire, sokove, cimet, majonezo, paradižnikov sok, 30% stepeno smetano itd.

Rast proizvodnje aerosolov za hrano je posledica naslednjega:

prednosti pred konvencionalnimi vrstami embalaže;

razvoj novih pogonskih goriv;

izboljšanje tehnologije polnjenja.

Prednosti aerosolne embalaže za hrano:

enostavnost uporabe;

prihranek časa;

živilo je pakirano v stanju, pripravljenem za uživanje, in se sprosti iz embalaže v enotni obliki;

brez puščanja izdelka;

vlaga se ne izgubi ali prodre v embalažo;

aroma se ne izgubi;

izdelek ostane sterilen.

Za formulacije aerosolov za živila veljajo naslednje zahteve:

1. Pogonsko gorivo mora biti visoke čistosti, nestrupeno, brez okusa in vonja. Trenutno se uporabljajo ogljikov dioksid, dušikov oksid, dušik, argon in freon C318.

2. Stisnjeni plini, ki imajo zelo omejeno topnost v vodnih raztopinah, ne morejo sodelovati pri nastajanju pene, kar je potrebno za stepeno smetano, okrasne kreme, pene itd. Pri teh izdelkih je bolje uporabiti freon C318, čeprav je veliko dražji.

Tabela 18.4 Primeri formulacij za različne aerosole za hrano

3. Uporaba freonov zagotavlja še eno prednost: utekočinjeni plini se vnesejo v formulacije izdelkov, ki se sproščajo v obliki pene, v količini, ki ne presega 10% teže, medtem ko zavzamejo relativno majhno prostornino. To vam omogoča, da v jeklenko naložite bistveno več izdelkov - 90% prostornine jeklenke (v paketih s stisnjenim plinom samo 50%) in zagotavlja popolno sprostitev izdelka iz embalaže.

4. Izbira pogonskega goriva je odvisna od vrste živila in predvidene oblike dostave (smetana, tekočina, pasta). Mešanice CO2 in dušikovega oksida visoke čistosti so se dobro izkazale. Za pridobivanje pene se uporabljajo mešanice freona C318 z dušikovim oksidom. Krema za zaključek torte, pakirana s to mešanico, tvori stabilno peno, ki dobro obdrži barvo. Pri sirupih velja za najprimernejše pogonsko gorivo CO2.

Kakovost točenja vsebine iz jeklenke je odvisna od naslednjih dejavnikov:

Tehnologije priprave izdelkov;

Stabilizator (mikrokristalna celuloza se pogosto uporablja);

Pravilna izbira cilindra in ventila.

Za cimet in limonin sok je bila razvita nadzorovana pršilna glava, ki lahko po želji razprši izdelke bodisi kot kapljice bodisi kot curek. Pri umetnih sladilih se uporabljajo dozirni ventili, ena doza, ki jo odmerijo, ustreza enemu rezanemu sladkorju itd.

AEROSOLNI TRANSPORT

Pnevmatski transport se pogosto uporablja v industriji mletja moke, žit in krme, kar ustvarja pogoje za uvedbo avtomatizacije, povečanje produktivnosti dela in zmanjšanje stroškov. Vendar pa je uporaba pnevmatskega transporta povezana z veliko porabo električne energije za premikanje velike količine zraka (1 kg zraka premakne 5-6 kg razsutega materiala).

Progresivnejši je aerosolni transport, pri katerem se zaradi zračenja moke na začetku transporta in visokega zračnega pritiska doseže velika koncentracija materiala v zračnem toku. Prezračevanje prekine oprijem med delci moke in pridobi lastnost pretočnosti, kot tekočina, zaradi česar se 1 kg zraka premakne do 200 kg moke.

Naprava za transport aerosolov je sestavljena iz podajalnika, polnilnika, cevovoda za material in razkladalnika. Glavni element je podajalnik, v katerem se zrak meša z materialom in se zmesi posreduje začetna hitrost, ki zagotavlja njen dovod v materialni cevovod.

Uvedba aerosolnega transporta omogoča povečanje produktivnosti mlinov in zmanjšanje specifične porabe energije.

Prevoz aerosolov je prihodnost ne le v mlinstvu moke, ampak tudi v drugih panogah, povezanih z uporabo razsutih materialov in praškov.

Aerosoli so mikroheterogeni sistemi, v katerih so trdni delci ali kapljice tekočine suspendirani v plinu (S/G ali L/G),

Glede na agregatno stanje razpršene faze delimo aerosole na: meglo (L/G); dim, prah (T/G); smog [(F+T)/G)].

Po razpršenosti delimo aerosole na: meglo, dim, prah.

Tako kot druge mikroheterogene sisteme lahko tudi aerosole pridobivamo iz pravih raztopin (kondenzacijske metode) ali iz grobo disperznih sistemov (disperzijske metode).

Vodne kapljice v megli so vedno sferične, trdni delci dima pa imajo lahko različne oblike, odvisno od izvora.

Zaradi zelo majhne velikosti delcev disperzne faze imajo razvito površino, na kateri lahko aktivno potekajo adsorpcija, zgorevanje in druge kemične reakcije.

Molekularno-kinetične lastnosti aerosolov določajo:

nizka koncentracija delcev disperzne faze; nizka viskoznost disperzijskega medija; nizka gostota disperzijskega medija.

Odvisno od velikosti delcev disperzne faze se lahko hitro usedejo (pri r < 1 μm) ali prilepijo na stene posode ali zlepijo (pri r < 0,01 μm). Največjo stabilnost imajo delci vmesnih velikosti.

Za aerosole so značilni pojavi termoforeze, termoprecipitacije in fotoforeze.

Optične lastnosti aerosolov so podobne lastnostim liosolov, vendar je sipanje svetlobe pri njih veliko bolj izrazito zaradi velikih razlik v lomnih količnikih disperzne faze in disperzijskega medija.

Specifičnost električnih lastnosti aerosolov je, da se EDL ne pojavi na delcih, naboj delcev je naključen in majhen. Ko se delci približajo drug drugemu, ne pride do elektrostatičnega odbijanja in pride do hitre koagulacije.

Uničenje aerosolov je pomemben problem in se izvaja s sedimentacijo, koagulacijo, zbiranjem prahu in drugimi metodami.

Praški so visoko koncentrirani disperzni sistemi, v katerih so disperzna faza trdni delci, disperzijsko sredstvo pa zrak ali drug plin. Simbol: T/G.

V prahu so delci disperzne faze v stiku med seboj. Tradicionalno je večina materialov v razsutem stanju razvrščenih kot prah, vendar se v ožjem smislu izraz "prah" uporablja za visoko dispergirane sisteme z velikostjo delcev, ki je manjša od določene kritične vrednosti, pri kateri postanejo sile interakcije med delci sorazmerne z maso delcev. delci. Najpogostejši so praški z velikostjo delcev od 1 do 100 mikronov. Specifična medfazna površina takih prahov se giblje od nekaj m11.09.2011 (saje) do frakcij m2/g (fini pesek).

Praški se od aerosolov s trdno disperzno fazo (tudi T/G) razlikujejo po veliko večji koncentraciji trdnih delcev. Prah je pridobljen iz aerosola s trdno dispergirano fazo med sedimentacijo. Tudi suspenzija (S/L) se po sušenju spremeni v prah. Po drugi strani pa lahko iz praška dobimo tako aerosol kot suspenzijo.

RAZVRSTITEV PRAŠKOV

1. Glede na obliko delcev:

Enakoosni (imajo približno enake dimenzije vzdolž treh osi);

Vlaknasta (dolžina delcev je veliko večja od širine in debeline);

Ravno (dolžina in širina sta veliko večji od debeline).

2. Glede na interakcijo med delci:

Vezivno razpršen (delci so med seboj povezani, tj. sistem ima neko strukturo);

Prosto dispergiran (strižna odpornost je posledica samo trenja med delci).

3. Razvrstitev glede na velikost delcev disperzne faze:

Pesek (2≤10 -5 ≤ d ≤ 2∙10 -3) m;

Prah (2∙10 -6 ≤ d ≤ 2∙10 -5) m;

Prašek (d< 2∙10 -6) м.

METODE ZA PRIDOBIVANJE PRAŠKOV

Praške, tako kot vse druge disperzne sisteme, lahko pridobivamo z dvema skupinama metod:

Na strani grobih sistemov - z disperzijskimi metodami;

Na strani pravih rešitev - s kondenzacijskimi metodami.

Izbira metode je odvisna od narave materiala, namena prahu in ekonomskih dejavnikov.

DISPERZIJSKE METODE

Surovine zdrobimo v valjčnih, krogličnih, vibracijskih ali koloidnih mlinih, ki jim sledi ločevanje na frakcije, saj kot rezultat mletja dobimo polidisperzne praške (na primer moka iste vrste lahko vsebuje delce od 5 do 60 mikronov) .

Učinkovito disperzijo lahko dosežemo z mletjem zelo koncentriranih suspenzij.

Za lažjo disperzijo se uporabljajo zmanjševalci trdote, ki so površinsko aktivne snovi. V skladu s pravilom izenačitve polarnosti, ko se adsorbirajo na površini zmlete trdne snovi, zmanjšajo površinsko napetost, zmanjšajo porabo energije med disperzijo in povečajo disperzijo osnovne faze.

V nekaterih primerih je material pred disperzijo predhodno obdelan. Tako se titan ali tantal segreje v vodikovi atmosferi, pretvori v hidride, ki se zdrobijo in segrejejo v vakuumu - dobijo se čisti kovinski prahovi.

Pri proizvodnji kosmičev v prahu, ki so del barv in pirotehničnih sestavkov, se za mletje uporabljajo kroglični mlini. Kroglice sploščijo in povaljajo delce zdrobljenega materiala.

Prah s sferičnimi delci iz ognjevzdržnih kovin (volfram, molibden, niobij) se pridobiva v nizkotemperaturni plazmi obloka in visokofrekvenčni razelektritvi. Pri prehodu skozi plazemsko cono se delci stopijo in dobijo sferično obliko, nato se ohladijo in strdijo.

Pri dispergiranju se kemična sestava materiala ne spremeni.

KONDENZACIJSKE METODE

Te metode lahko razdelimo v dve skupini.

Prva skupina metod je povezana z odlaganjem delcev zaradi koagulacije liofobnih solov. Zaradi izhlapevanja raztopine ali delne zamenjave topila (zmanjšanje topnosti) nastane suspenzija, po njenem filtriranju in sušenju pa dobimo praške.

Druga skupina metod je povezana s kemijskimi reakcijami (kemična kondenzacija). Metode kemijske kondenzacije lahko razvrstimo glede na vrsto uporabljene reakcije:

1. Reakcije izmenjave med elektroliti. Na primer, oborjeno kredo (zobni prah) dobimo kot rezultat reakcije:

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

2. Oksidacija kovin.

Na primer, visoko dispergiran cinkov oksid, ki je glavna sestavina cinkovega belila, dobimo z oksidacijo cinkove pare z zrakom pri 300 °C.

3. Oksidacija ogljikovodikov.

Različne vrste saj, ki se uporabljajo pri proizvodnji gume, plastike in tiskarskih barv, nastajajo s sežiganjem plinastih ali tekočih ogljikovodikov v odsotnosti kisika.

4. Redukcija kovinskih oksidov.

Redukcija z zemeljskim plinom, vodikom ali trdnimi redukcijskimi sredstvi se uporablja za proizvodnjo visoko dispergiranih kovinskih praškov.

In še veliko več, brez česar si življenja samega ni mogoče zamisliti. Celotno človeško telo je svet delcev, ki so v stalnem gibanju strogo po določenih pravilih, ki se podrejajo človeški fiziologiji. Koloidni sistemi organizmov imajo številne biološke lastnosti, ki so značilne za določeno koloidno stanje: 2.2 Koloidni sistem celic. Z vidika koloidno-kemijske fiziologije...

Pustimo jih mešati n kemično ne reagirajo med sabo idealno plini Predpostavlja se, da so znani začetni termodinamični parametri stanja vseh komponent pred mešanjem in pogoji mešanja (pogoji interakcije z okoljem). Treba najti ravnovesje parametri stanja plinov po mešanju.

Oglejmo si dva primera mešanja, zaradi poenostavitve predpostavimo, da se ta proces zgodi brez izmenjave toplote z okoljem .

2.1. Mešanje pri W=konst

V tem primeru so pogoji mešanja takšni, da prostornina nastale mešanice W cm je enaka vsoti začetnih prostornin sestavin mešanice W H i:

(Da ne bo zmede W H i z delnimi volumni W i, obravnavano v odstavku 1.4.3.)

Označimo:

P H i– začetni tlak i th plin;

T H i,t H i– začetna temperatura i-th plin oziroma pri 0 TO ali 0 Z.

Ker celoten sistem iz n plinov pri mešanju pod pogoji W=konst ne opravlja zunanjega dela, potem lahko v skladu s prvim zakonom termodinamike za ta primer () zapišemo:

Tukaj: U cm – notranja energija tehtanja mešanice plinov m cm kilogramov

s temperaturo T 0 K;

U H i- notranja energija i th plinska masa m i kilogramov

z začetno temperaturo T H i .

Vstavimo naslednji zapis:

u cm – specifična notranja energija mešanice plinov pri temperaturi T 0 K;

u H i – specifično notranjo energijo i-th plin z začetno temperaturo T H i .

Potem ima enačba (2.1.1) naslednjo obliko:

(2.1.2)

Kot je znano, za idealni plin du=C v dT, od koder pri štetju notranje energije 0 0 K se lahko napiše:

Tukaj: - povprečje v območju 0 T 0 K masna izohorna toplotna kapaciteta mešanice plinov;

Povprečje v obsegu 0 T H i 0 K masna izohorna toplotna kapaciteta i th plin.

Po zamenjavi (2.1.3) v (2.1.2) dobimo:

Toda v skladu z odstavkom 1.4.10 je prava masna toplotna zmogljivost mešanice plinov izražena z masnimi deleži komponent g i in njihove prave toplotne kapacitete, kot sledi:

Podobno je povprečje v območju 0 T 0 K Masna izohorna toplotna kapaciteta mešanice plinov je določena kot:

Če ta izraz nadomestimo v levo stran enačbe (2.1.4), dobimo:

od koder (2.1.5)

Ker iz enačbe stanja, potem po zamenjavi m i v enačbo (2.1.5) končno dobimo formulo za temperaturo zmesi n plini:

Kot je znano, lahko torej formulo (2.1.6) zapišemo v naslednji obliki:

(Opozoriti je treba, da je produkt povprečje v območju 0- T H i 0 Kmolar izohorna toplotna kapaciteta i th plin.)

V referenčni literaturi so za območje pogosto podane empirične odvisnosti toplotne kapacitete od temperature 0 t 0 C .

Po zamenjavi (2.1.8) in (2.1.9) v enačbo (2.1.2) dobimo:

Zamenjava m i njeno vrednost, končno dobimo formulo za temperaturo mešanice plinov v stopinjah Celzija :

Izražanje R i preko molekulske mase dobimo drugo formulo:

Imenovalci formul (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) in (2.1.11) vsebujejo povprečne toplotne kapacitete, pri katerih se kot zgornja meja povprečenja uporablja temperatura zmesi ( t oz T), ki ga je treba določiti. Zaradi tega je temperatura zmesi določena s temi formulami metoda zaporednih približkov .

2.1.1. Posebni primeri mešanja plinov med W=konst

Oglejmo si več posebnih primerov formul (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) in (2.1.11).

1. Naj se mešajo plini, za katere je odvisnost adiabatnega eksponenta K i temperaturo lahko zanemarimo.

(Pravzaprav TO z naraščanjem temperature upada, saj

kje s ali r , A so empirični pozitivni koeficienti.

Za tehnične izračune v območju od 0 do 2000 0 C lahko uporabite naslednje formule:

a) za dvoatomne pline TO 1,40 - 0,50 10 -4 t;

b) za produkte zgorevanja TO 1,35 - 0,55 10 -4 t.

Iz teh formul je razvidno, da je vpliv temperature na adiabatni indeks TO postane opazen šele pri temperaturah reda stotin stopinj Celzija.)

Torej, če predpostavimo, da

potem bo formula (2.1.6) imela naslednjo obliko:

Formulo (2.1.12) lahko uporabimo kot prvi približek za formule (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) in (2.1.11)

2. Naj bodo mešani plini, katerih molske izohorne toplotne kapacitete so enake in lahko zanemarimo odvisnost teh toplotnih kapacitet od temperature, tj.

Nato ima enačba (2.1.7) zelo preprosto obliko:

Če imajo plini enake molarne izohorične toplotne kapacitete, potem v skladu z Mayerjevo enačbo

Molarne izobarne toplotne kapacitete morajo biti med seboj enake, zato morata biti enaka tudi adiabatna eksponenta, tj.

Pod tem pogojem se enačba (2.1.12) spremeni v (2.1.13).

2.1.2. Tlak po mešanju plinov pri W=konst

Tlak, ki se vzpostavi po mešanju plinov, se lahko določi s formulami iz odstavka 1.4.2 ali iz pogoja:

R cm W cm = m cm R cm T= m cm T.