wyklad_v
Transkrypt
wyklad_v
Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej Wykład V Charakterystyka ośrodków termodynamicznych Charakterystyka ośrodków termodynamicznych Z inżynierskiego punktu widzenia bardzo ważny jest opis ośrodka który znajduje się w układach termodynamicznych. W niektórych przypadkach opis ten można znacznie uprościć poprzez wprowadzenie różnych idealizacji polegających nas uproszczeniu opisu. Z tego punktu widzenia analizowane ośrodki można podzielić na: 1. Gazy doskonałe 2. Gazy półdoskonałe 3. Ośrodki nieściśliwe 4. Ośrodki rzeczywiste 2 Gazy półdoskonałe Ze względu na prostotę opisu przemian często przyjmuje się że ośrodek jest gazem doskonałym. Pod niskim oraz umiarkowanym ciśnieniem substancje rzeczywiste zachowują się podobnie jak gazy doskonałe. Jedna właściwość jednak jest wyjątkiem. Otóż dla substancji rzeczywistych właściwe pojemności cieplne cv i cp nawet pod niskim ciśnieniem nie są stałe ale zależą od temperatury. W związku z tym wprowadzono pojęcie tzw. gazu półdoskonałego. Gazem półdoskonałym nazywamy ośrodek mający wszystkie cechy gazu doskonałego ale cechujący się zależnością wielkości cv i cp od temperatury. 3 Gazy półdoskonałe Porównajmy teraz własności termodynamiczne gazów doskonałych i półdoskonałych. Gazy doskonałe Gazy półdoskonałe pv RT pv RT u cv const T v h cp const T p u cv f (T ) T v h cp f (T ) T p c p cv R c p cv R cv k R 2 k 2 cp R 2 3 ( g . 1 at.) k 5 ( g . 2 at.) 6 ( g . 2 at.) c p a0 a1T a2T 2 ... np. dla pary wodnej : cp 121000 3.47 1.45 10 3 T R T2 4 Gazy półdoskonałe Ciąg dalszy porównań: Gazy doskonałe u u h h 0 v T p T v T p T cv c p 0 p T p T du cv dT Gazy półdoskonałe u u h h 0 v T p T v T p T cv c p 0 cv , c p f ( p ) p T p T du cv (T )dT T u u u0 cv (T T0 ) u u u0 cv (T )dT dh c p dT dh c p (T )dT h h h0 c p (T T0 ) T0 T h h h0 c p (T )dT T0 5 Substancje nieściśliwe Na drugim skrajnym biegunie w stosunku do gazów doskonałych można usytuować tzw. substancje nieściśliwe. Jako nieściśliwe można w przybliżeniu uważać ciecze i ciała stałe. Substancją nieściśliwą nazywamy ośrodek, którego objętość nie zależy od ciśnienia i jest funkcją tylko temperatury czyli: v 0 p T v M f (T ) 6 Substancje nieściśliwe Na podstawie praw termodynamiki można wykazać, że dla substancji nieściśliwych zachodzą zależności: c p cv c f (T ) c 0 c p cv c f ( p) p T 7 Substancje nieściśliwe Oznacza to, że podobnie jak dla gazów doskonałych i półdoskonałych ciepło właściwe substancji nieściśliwych nie zależy od ciśnienia i jest funkcją tylko temperatury. Konsekwencją tego stwierdzenia jest fakt, że również energia wewnętrzna substancji nieściśliwej nie zależy od ciśnienia tzn.: u f (T ) u 0 u f ( p) p T 8 Substancje nieściśliwe Znajomość energii wewnętrznej u0 w pewnej temperaturze T0 oraz zależności c(T) pozwala na obliczenie energii wewnętrznej substancji nieściśliwej w dowolnej temperaturze T: T u (T ) u0 c(T )dT T0 Temperatura T0 i wartość u0 są to tzw. wartości standardowe. Np. dla wody przyjmuje się T0=273.15 K i u0=0. 9 Substancje nieściśliwe Rozważmy jeszcze sposób określania entalpii substancji nieściśliwych. W przeciwieństwie do energii wewnętrznej entalpia substancji nieściśliwych zależy od ciśnienia. Zgodnie z definicją entalpii mamy: h(T , p) u (T ) pv v const dh du vdp Założenie o stałości objętości v jest przybliżeniem wynikającym ze słabej na ogół zależności objętości od temperatury dla substancji nieściśliwych. 10 Substancje nieściśliwe Całkując otrzymaną zależność różniczkową względem temperatury i ciśnienia dostajemy wzór umożliwiający obliczenie entalpii substancji nieściśliwej w dowolnej temperaturze pod dowolnym ciśnieniem: T h(T , p) h(T0 , p0 ) c(T )dT vm ( p p0 ) T0 T h(T , p) h(T0 , p0 ) c(T )dT vm ( p p0 ) T0 Objętość „vm” w powyższym wzorze oznacza wartość średnią w zakresie od T0 do T. 11 Substancje rzeczywiste Substancje rzeczywiste mogą występować w postaci różnych stopni skupienia, które w termodynamice nazywamy fazami. Przy opisie faz bardzo ważne znaczenie ma tzw. reguła faz sformułowana przez jednego z twórców termodynamiki Willarda Gibbsa. Reguła faz Bardzo ważną rolę w termodynamice procesowej odgrywa tzw. reguła faz Gibbsa. Służy ona do określania liczby parametrów opisujących dany układ termodynamiczny. Kluczowym pojęciem w tej regule jest pojęcie termodynamicznego stopnia swobody. Stopniem swobody układu termodynamicznego nazywamy możliwość zmiany pewnego parametru stanu niezależnie od innych parametrów stanu w procesie quasi-statycznym pod warunkiem, że w układzie nie nastąpi zmiana liczby składników i zmiana liczby faz. 13 Reguła faz Przed sformułowaniem reguły faz wprowadźmy oznaczenia: k – liczba składników (związków chemicznych o określonym wzorze) k≥1 f – liczba faz występujących w układzie f≥1 r – liczba niezależnych reakcji chemicznych zachodzących międzyskładnikami r≥0 s – liczba stopni swobody (liczba niezależnych parametrów określonych jw.) s≥0 14 Reguła faz cd. Układ k,f,r—>s s k f r 2 dla r 0 s k f 2 dla k 1 s 3 f 15 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE (Substancje czyste) Na początku rozważań termodynamicznych często rozważa się układy zawierające tylko jedną substancję (k=1) czyli tzw. substancje czyste. Reguła faz Gibbsa dla tego przypadku określa liczbę stopni swobody s=3-f. Ponieważ układ nie może mieć ujemnej liczby stopni swobody, widać że maksymalna liczba jednocześnie Występujących faz wynosi 3. Oczywiście substancja może występować w większej liczbie faz ale jednocześnie mogą istnieć tylko 3. Najważniejsze fazy, w których Występują określone substancje chemiczne to: 1. Faza parowa (gazowa) – V (vapour), G (gas) 2. Faza ciekła – L (liquid) 3. Faza stała – S (solid) Układ jednofazowy substancji czystej posiada s=3-1=2 stopnie swobody. Parametry związane z tymi stopniami swobody to najczęściej temperatura T i ciśnienie p. Wartości tych parametrów określają w jakiej fazie występuje określona substancja. Otóż każda czysta substancja posiada charakterystyczny wykres w układzie p – T określający obszary występowania poszczególnych faz. 16 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Wykres fazowy p - T p S L Punkt krytyczny V G Punkt potrójny T Krzywa sublimacji - zestalania Krzywa parowania - skraplania Krzywa topnienia - krzepnięcia 17 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Punkt potrójny i krytyczny p pk L S pt Punkt krytyczny G V Punkt potrójny Tt Tk T 18 Przykładowe współrzędne punktu potrójnego Substancja Wzór T [K] P [Pa] Woda H2O 273.16 611.7 Metan CH4 90.68 0.117.105 Etan C2H6 89.89 0.8 Etylen C2H4 104.0 120.0 Dwutlenek węgla CO2 216.55 5.17.105 Tlenek węgla CO 68.1 0.1537.105 Argon Ar 83.81 0.689.105 Azot N2 63.18 0.126.105 Amoniak NH3 195.4 6076.0 Dwutlenek siarki SO2 197.69 1670.0 19 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Parametry zredukowane Parametry krytyczne substancji czystych są ważne z tego jeszcze powodu, że stanowią one podstawę tzw. parametrów zredukowanych, stosowanych w tzw. teorii stanów odpowiadających sobie. Parametry zredukowane są to bezwymiarowe stosunki: T Tr Tkr p pr pkr v vr vkr 20 Przykładowe współrzędne punktu krytycznego Substancja Wzór Tkr [K] Pkr [Pa] Woda H2O 647.096 220.64.105 Metan CH4 190.8 46.4.105 Etanol C2H5OH 514.0 63.0.105 Fluor F2 144.3 52.2.105 Dwutlenek węgla CO2 304.19 73.8.105 Tlen O2 154.6 50.5.105 Argon Ar 150.8 48.7.105 Azot N2 126.2 33.9.105 Amoniak NH3 405.5 112.8.105 Podtlenek azotu N2 O 309.5 72.4.105 21 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Wykres fazowy p - v Niezależnie od wykresu ciśnienie - temperatura (p – T) bardzo ważny jest wykres fazowy substancji czystych w układzie ciśnienie – objętość właściwa (p – v). Na takim wykresie nanosi się linie stałej temperatury czyli izotermy. Przebieg izotermy zależy od temperatury. Typowy przebieg izotermy dla temperatury niższej od krytycznej jest następujący: (dla ilustracji pokażę Państwu jednocześnie przebieg tej izotermy w układzie p – T. 22 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Przebieg izotermy p S L Izotermę zaczynamy kreślić od punktu 1 w obszarze 1 T=const cieczy pod wysokim ciśnieniem. Obniżamy ciśnienie przy stałej temperaturze co na wykresie p – T oznacza daje linię pionową w kierunku krzywej parowania. Pod wysokim ciśnieniem w temperaturze niższej od krytycznej większość substancji jest cieczą o raczej małej objętości właściwej. Zmniejszaniu się ciśnienia towarzyszy niewielki wzrost objętości (ciecze są słabo ściśliwe). W tym zakresie izoterma jest linią 2 bardzo stromą. Po dojściu do punkt 2 leżącego na krzywej parowania V w układzie pojawia się para nasycona i proces ekspansji powoduje przemianę fazową ciecz para. Punkt 2 jest tzw. punktem nasycenia. T 23 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Przebieg izotermy 1 p L S 2 V 3 Na początku przemiany fazowej mamy tylko T=const ciecz nasyconą o objętości v’. W celu utrzymania stałej temperatury do układu należy doprowadzić ciepło potrzebne do zamiany cieczy w parę. Układ zwiększa swoją objętość aż cała ciecz zamieni się w parę o objętości v”. Po zamianie całej cieczy w parę dalsza ekspansja powoduje wyjście z punktu 2, ciśnienie znowu się może obniżać a przebieg izotermy jest podobny do izotermy gazu doskonałego. T Punktem końcowym jest punkt 3. 24 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Przebieg izotermy 1 p Dla temperatury równej krytycznej mamy charakterystyczną izotermę krytyczną na której zamiast odcinka przemiany fazowej mamy punkt przegięcia charakteryzujący punkt krytyczny. T=const L S 2 T>Tkr T=Tkr V 3 T Dla temperatur większych od krytycznej przebieg izotermy staje się coraz bardziej podobny do izotermy gazu doskonałego. A oto cały wykres w układzie p –v: 25 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Wykres fazowy p - v p Izoterma w obszarze cieczy Punkt cieczy nasyconej 2’ Przemiana fazowa ciecz - para Punkt pary nasyconej 2” Izoterma w obszarze pary nienasyconej Punkt krytyczny Izoterma w obszarze nadkrytycznym 1 pkr T=const.>Tkr pn 2’ 2” T=const.=Tkr T=const.<Tkr v’ vkr v” v 26 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Przemiany fazowe p Topnienie L S Parowanie Krzywa sublimacji - zestalania Krzywa parowania - skraplania Krzywa topnienia - krzepnięcia V Sublimacja T W czasie przemian fazowych następuje skokowa zmiana wszystkich parametrów termodynamicznych z wyjątkiem temperatury, ciśnienia i entalpii swobodnej. Przemiana fazowa jest zatem przemianą izotermiczno-izobaryczną. 27 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE - Przemiany fazowe p Topnienie L S Parowanie V Krzywa sublimacji - zestalania Krzywa parowania - skraplania Krzywa topnienia - krzepnięcia Sublimacja T Bardzo ważnym parametrem określającym dowolną przemianę fazową jest tzw. ciepło takiej przemiany określające ilość ciepła wymienionego między układem a otoczeniem w czasie przemiany. Ciepło przemiany jest dodatnie (należy je dostarczyć do układu) dla przemian od fazy bardziej skondensowanej do fazy mniej skondensowanej tzn. dla sublimacji, parowania i topnienia. 28 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Przemiany fazowe c.d. Ponieważ przemiany fazowe zachodzą pod stałym ciśnieniem (są izobaryczne) z I zasady termodynamiki wynika, że ciepło takiej przemiany jest równe zmianie entalpii przy przejściu od jednej fazy do drugiej. Można to zapisać: q12 h12 h2 h1 Taką dowolną przemianę fazową możemy zilustrować w układzie p – T: p Faza bardziej skondensowana (1) Faza mniej skondensowana (2) T 29 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Przemiany fazowe c.d. Ponieważ przemiany fazowe są izotermiczno – izobaryczne celowe będzie przypomnienie pewnych wniosków z II zasady termodynamiki. Najpierw wyprowadźmy ogólny wzór określający różniczkę dg w dowolnej przemianie odwracalnej: g h Ts dg d (h Ts) dh d (Ts) dh Tds sdT Z I zasady termodynamiki: Po podstawieniu mamy: dh q wt Tds vdp dg Tds vdp Tds sdT vdp sdT Ostecznie otrzymujemy ważny wzór: dg vdp sdT Dla odwracalnej przemiany izotermiczno – izobarycznej jaką jest przemiana fazowa mamy dp=0 oraz dT=0 co w połączeniu z powyższym daje dg=0, co oznacza że podczas przejścia z jednej fazy do drugiej entalpia swobodna się nie zmienia! Fakt ten wykorzystamy przy wyprowadzeniu tzw. prawa Clapeyrona obowiązującego podczas dowolnych przemian fazowych. 30 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Przemiany fazowe –prawo Clapeyrona Rozpatrzmy teraz dwa punkty A i B leżące na krzywej przemiany w odległości różniczkowej dT i dpn. p Faza (1) dpn B Faza (2) A W obu punktach A i B mamy stan równowagi fazowej tzn. entalpia swobodna jest minimalna i taka sama w obydwu fazach: T dT g A1 g A2 g B1 g B 2 Odejmując stronami powyższe równości otrzymujemy: g B1 g A1 dg1 g B 2 g A2 dg 2 dg1 dg 2 Przyrosty dg w powyższej równości oznaczają przyrosty entalpii swobodnej przy przejściu od punktu A do punktu B wzdłuż linii przemiany fazowej. 31 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Przemiany fazowe –prawo Clapeyrona p dg1 dg 2 Faza (1) dpn dg vdp sdT B A dT Faza (2) T Powyższa równość łącznie z wyprowadzonym wcześniej wzorem określającym dg pozwala na wyprowadzenie tzw. prawa Clapeyrona: dg1 dg 2 v1dpn s1dT v2 dpn s2 dT (s2 s1 )dT (v2 v1 )dpn Otrzymana równość w ramce będzie dalej punktem wyjścia w dalszym wyprowadzeniu: 32 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Przemiany fazowe –prawo Clapeyrona (s2 s1 )dT (v2 v1 )dpn W dalszym ciągu wyprowadzenia korzystamy z definicji entalpii swobodnej g oraz z warunku równowagi faz na linii przemiany. hg g h Ts s T h2 h1 h2 h1 g 2 g1 h2 g 2 h1 g1 s2 s1 T T T T Podstawiając otrzymane wyrażenie na przyrost entropii do równania na górze mamy: h2 h1 h dT dT (v2 v1 )dpn vdpn T T dpn h h dT vdpn T dT Tv 33 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Przemiany fazowe –prawo Clapeyrona dpn h dT Tv gdzie: dpn/dT – nachylenie linii przemany fazowej w układzie p - T Δh=h2-h1 jest to ciepło danej przemiany fazowej Δv=v2-v1 jest to przyrost objętości w przemianie fazowej Prawo Clapeyrona obowiązuje dla dowolnych przemian fazowych ! 34 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Przemiany fazowe –prawo Clapeyrona Prawo Clapeyrona obowiązuje dla dowolnych przemian fazowych. W celu jego ilustracji rozpatrzmy wykres fazowy p – T dla wody (H2O). Wykres ten ma nietypowy przebieg w części opisującej przemianę ciało stałe – ciecz. Nachylenie linii topnienia jest odwrotnie w stosunku do większości substancji nie dodatnie ale ujemne ! p Przebieg linii topnienia dla większości substancji (dpt/dT)>0 S L Linia topnienia dla wody (dpt/dT)<0 Napiszmy prawo Clapeyrona dla topnienia, i uwzględnijmy nachylenie linii dla wody: dpt ht 0 vt vwody vlodu 0 dT Tvt vlodu vwody T 35 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Przemiany fazowe –prawo Clapeyrona p Przebieg linii topnienia dla większości substancji (dpt/dT)>0 S L Linia topnienia dla wody (dpt/dT)<0 Napiszmy prawo Clapeyrona dla topnienia, i uwzględnijmy nachylenie linii dla wody: dpt ht 0 vt vwody vlodu 0 dT Tvt vlodu vwody T Otrzymana nierówność oznacza, że objętość lodu jest większa niż ciekłej wody. Lód zatem pływa po wodzie co jest wyjątkiem wśród różnych substancji ! 36 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE Przemiany fazowe –prawo Clapeyrona Przy okazji omawiania prawa Clapeyrona pozwolę sobie na tradycyjnie przedstawienie sylwetki tego uczonego. Benoit Paul Emile Clapeyron 1799 – 1864 . Urodził się i zmarł w Paryżu. W latach 1820 – 1830 był profesorem w Petersburgu. Po powrocie do Francji zajmował się m.in. budową pierwszej francuskiej linii kolejowej z Paryża do Wersalu. 37 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE – Przemiany fazowe – Równanie Clausiusa - Clapeyrona Prawo Clapeyrona jest słuszne dla dowolnych przemian fazowych. dpn h dT Tv Prawo to określa zależność między nachyleniem linii przemiany w układzie p – T a ciepłem przemiany i przyrostem objętości. Dla przemian ciecz – para oraz ciało stałe - para przy pewnych założeniach upraszczających można otrzymać tzw. równanie Clausiusa – Clapeyrona. Wprowadźmy popularne oznaczenia: v1 v' v2 v" v v"v' h h"h' hv 38 UKŁADY JEDNOSKŁADNIKOWE – Przemiany fazowe – Równanie Clausiusa - Clapeyrona Załóżmy że przemiana fazowa odbywa się dostatecznie daleko od punktu krytycznego tzn: T Tkr p pkr RT v" pn Para zachowuje się jak gaz doskonały RT v" v' v v"v' v" pn Podstawiając otrzymane wyrażenie na różnicę objętości do prawa Clapeyrona otrzymujemy równanie Clausiusa – Clapeyrona : dpn hv hv pn hv 2 dT Tv T RT RT pn 39 Równanie Clausiusa – Clapeyrona postać różniczkowa dpn pn (hv ) dT RT 2 Równanie Clausiusa – Clapeyrona w postaci różniczkowej można przedstawić w nieco innej formie rozdzielając zmienne pn i T: dpn hv dT hv 1 d ln( pn ) d 2 pn R T R T Z powyższej różniczkowej postaci równania Clausiusa – Clapeyrona wynika, że w układzie ln(pn) – 1/T zależność krzywej nasycenia jest prostoliniowa. 40 Równanie Clausiusa – Clapeyrona postać całkowa Dla zastosowań praktycznych należy różniczkową postać równania Clausiusa – Clapeyrona scałkować. W tym celu zakładamy, że znany jest jeden punkt na linii nasycenia. Punktem tym najczęściej jest punkt wrzenia (T0) danej substancji pod normalnym ciśnieniem (p0= 1 bar lub 760 mm Hg). Mamy zatem: pn (T0 ) p0 Następnie dosyć często zakłada się, że ciepło parowania jest wielkością stałą niezależną od temperatury. Pozwala to na łatwe scałkowanie różniczkowej postaci równania Clausiusa – Clapeyrona: hv dT hv 1 1 p d ln( pn ) T R T 2 R T0 T 0 0 pn T pn hv ln R p0 1 1 T0 T Całkowa postać równania Clausiusa - Clapeyrona 41 Równanie Clausiusa – Clapeyrona postać graficzna pn hv ln R p0 ln(pn) 1 1 T0 T Z tej postaci równania C – C wynika też prostoliniowość krzywej nasycenia w układzie współrzędnych ln(pn) – 1/T. hv tan( ) R α 1/T Z konstrukcji powyższego wykresu widzimy, że wyznaczając nachylenie linii prostej można otrzymać ciepło parowania bez pomiarów kalorymetrycznych ! 42 Równanie Clausiusa – Clapeyrona modyfikacja Antoine’a Ze względu na zastosowane uproszczenia w praktyce zakres temperatur, w którym zależność jest rzeczywiście prostoliniowa jest ograniczony. Zakres liniowości można jednak znacznie poszerzyć modyfikując oś odciętych i zamiast 1/T nanosić wartości 1/(T+C) gdzie C jest pewną stałą zależną od substacji. W rezultacie otrzymujemy linię prostą w znacznie szerszym zakresie temperatur. Modyfikację tą zaproponował Antoine. ln(pn) 1/(T+C) Analityczny zapis prostej w powyższym układzie zmiennych nosi nazwę równania Antoine’a. 43 Równanie Antoine’a B ln( pn ) A T C Równanie Antoine’a posiada 3 stałe A, B i C których wartość zależy od substancji. Wartości stałych zależą również od podstawy logarytmu a także od jednostek ciśnienia i temperatury. Przy stosowaniu tego równania należy zawsze sprawdzać te elementy. Przykładowe wartości stałych Antoine’a przedstawia tabela: 44 Przykładowe stałe Antoine’a B ln( pn ) A T C [ pn ] Pa [T ] K Substancja Wzór A B C Woda H2O 23.2182 3829.49 -45.63 Metanol CH3OH 23.4958 3641.17 -33.51 Kwas octowy C2H5COOH 22.2994 3785.56 -39.64 Etanol C2H5OH 23.8831 3846.26 -40.20 Aceton (CH3)2CO 21.7007 3021.57 -32.46 Chlorobenzen C6H5Cl 20.9785 3305.76 -55.13 Benzen C6H6 20.7651 2771.92 -53.24 Fenol C6H5OH 21.2917 3476.16 -98.96 Heksan C6H14 20.7604 2714.29 -47.96 Toluen C6H5CH3 20.9315 3111.42 -52.97 45