Смешивание газов. Смешение газов. Молекулярная и молярная (турбулентная) диффузия. Процесс смешения потоков

Каждый газ в смесях ведет себя так, как будто он один занимает весь объем сосуда: молекулы его рассеиваются равномерно в пространстве и создают свое, так называемое парциальное, давление p i на стенки сосуда. Если смесь находится в равновесном состоянии, температура всех газов одинакова и равна температуре смеси T СМ. Масса смеси равна сумме масс компонентов; давление смеси по закону парциальных давлений Дальтона (1801) равно сумме парциальных давлений:

где n – число компонентов, составляющих смесь.

Английский физик и химик Джон ДАЛЬТОН (1766–1844) сформулировал в 1803 г. закон кратных отношений: если два простых или сложных вещества образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного вещества, приходящиеся на одну и ту же массу другого вещества, относятся как целые числа, обычно небольшие. Например, в пяти оксидах азота (N 2 O, NO, N 2 O 3 , NO 2 , N 2 O 5) количество кислорода на одно и то же весовое количество азота относится как 1:2:3:4:5. Дальтон правильно объяснил этот закон атомным строением вещества и способностью атомов одного вещества соединяться с различным количеством атомов другого вещества. При этом Дальтон предложил использовать в химии понятие атомного веса. Зная атомные веса элементов, можно устанавливать меру химических превращений и химических соотношений веществ, а также составлять количественные уравнения реакций. Он впервые (1794) провел исследования и описал дефект зрения, которым страдал сам, – цветовая слепота, позже названный в его честь дальтонизмом.

Половину своей жизни Дальтон даже не подозревал, что с его зрением что-то не так. Он занимался оптикой и химией, но обнаружил свой дефект благодаря увлечению ботаникой. То, что он не мог отличить голубой цветок от розового, он первоначально объяснял путаницей в классификации цветов, а не недостатками его собственного зрения. Дальтон заметил, что цветок, который при свете солнца, был небесно-голубым (точнее, того цвета, что он считал небесно-голубым), при свете свечи выглядел темно-красным. Он обратился к окружающим, но никто такого странного преобразования не видел, за исключением его родного брата. Так Дальтон догадался, что с его зрением что-то не так и что проблема эта наследуема. В 1995 году были проведены исследования сохранившегося глаза Джона Дальтона, в ходе которых выяснилось, что он страдал редкой формой дальтонизма – дейтеранопией. У дейтеранопов отмечается недостаток пигмента М-колбочек, вследствие чего заболевающие относительно нечувствительны к средним длинам волн зеленой части спектра, но при этом воспринимают коротковолновую часть спектра как синий цвет и длинноволновую – как желтый.

Свойства смеси зависят от ее состава, который можно задавать различными способами. Наиболее простой и удобный – задание массового состава, т.е. для каждого газа задается его массовая доля в смеси:

Мольной долей называют отношение числа киломолей данного газа к числу киломолей всей смеси:

где , m i – молекулярная масса i-го компонента.

Величину

называют кажущейся молекулярной массой смеси.

Часто состав смеси задают объемными долями

где V i – парциальный объем i-го компонента, т.е. такой объем, который занимал бы данный газ, если бы его давление было не p i , а p СМ (при той же температуре T СМ), .

Для действительного состояния связь между параметрами определяется уравнением p i ×V CM =m i ×R i ×T СМ, а для условного – p CM ×V i = = m i ×R i ×T СМ. Из равенства правых частей этих уравнений следует p i ×V CM =p CM ×V i , откуда находим две важные формулы:

Важно знать соотношения между величинами g i , у i и r i . Чтобы найти эти соотношения, проведем следующие простые преобразования, не требующие дополнительных пояснений:

Здесь 22,4 – объем 1 кмоля любого газа при нормальных условиях, м 3 (по закону Авогадро именно таким объемом обладает большинство газов, хотя бывают и небольшие отклонения).

Объемная доля

Поскольку правые части 2 последних формул одинаковы, можно заключить, что мольные доли равны объемным: y i = r i .

Еще одно соотношение получим так:

Заменив y i на r i , запишем его по-другому:

r i ×m i =g i ×m СМ.

Просуммируем полученные формулы для всех n компонентов смеси. В результате будем иметь

поскольку .

На основании свойства аддитивности для расчета теплоемкостей смеси можно записать следующие формулы:

Величину газовой постоянной находят аналогично:

или же, как и для любого газа, через универсальную газовую постоянную по формуле R CM = 8314/m CM .

Рассмотрим подробнее два наиболее типичных способа смешивания.

1. Смешивание газов путем объединения отдельных объемов. Пусть имеется n разных газов, находящихся в отдельных сосудах объемами V 1 , V 2 , .... Параметры каждого газа р 1 , р 2 , ... и Т 1 , Т 2 , ... Для получения смеси эти объемы объединяют или удалением перегородок, или с помощью коротких трубопроводов достаточно большого сечения. В результате перетекания и диффузии газов через некоторый промежуток времени получается однородная смесь, массу и объем которой можно определить простым суммированием:

где – масса i-го компонента, R i – его газовая постоянная.

При смешивании не совершается внешней работы и не происходит внешнего теплообмена (dl = 0, dq = 0), а значит, не изменяется и внутренняя энергия каждого газа (du = 0). Поэтому внутренняя энергия смеси будет складываться из внутренней энергии ее компонентов, т.е.

Здесь u СМ = m СМ × с V C М × (T C М – T 0) и u i = m i × с V i × (T i – T 0),

где c Vi – средняя теплоемкость i-го компонента в изобарных процессах.

Подставим приведенные выражения в исходную формулу:

и проведем следующие преобразования: разделим обе части на m СМ (при этом в правой части получим ), раскроем скобки и вынесем за знак суммы постоянную величину T 0:

Если учесть, что , то после приведения подобных слагаемых формула примет вид

Давление смеси найдем из уравнения состояния идеального газа:

Представим мысленно, что образование смеси протекает в два этапа. На первом этапе перегородки между компонентами становятся эластичными и хорошо теплопроводными. Тогда в результате деформаций и теплообмена, протекающих обратимым способом, выравниваются температуры и давления компонентов (они станут равными p СМ и T СМ) и изменяются объемы газов. Энтропия такого состояния будет

На втором этапе перегородки убираются. Тогда в результате диффузии произойдет распространение каждого газа по всему объему, и каждый компонент будет иметь параметры T СМ и p i = r i × p CM , где r i – объемная доля компонента. При этом энтропию смеси можно определить как сумму энтропий компонентов:

Сопоставление данных формул позволяет найти увеличение энтропии от необратимости:

что позволяет легко найти потери работоспособности

Dl = T 0 × Ds НЕОБР.

Если же, например, потребуется разделить смесь на отдельные составляющие, то для этого как минимум потребуется затратить работу Dl.

2. Смешивание газовых потоков – это способ непрерывного получения смесей. Несколько газовых потоков направляют в один выходной канал. Пусть через i-й канал поступает М i газа, кг/с, с параметрами p i и T i . Тогда объемный расход этого потока будет

а скорость

При смешивании потоков скорости газов бывают невысоки и мало различаются между собой. Поэтому разницей скоростей газов можно пренебрегать и считать, что давления p i газов практически одинаковы и равны р СМ.

При постоянстве давления и отсутствии внешнего теплообмена будет иметь место следующий баланс энтальпий:

Поскольку для идеального газа h = с р ×(Т – Т 0), приведенную формулу можно записать и так:

где ; c pi – средняя изобарная теплоемкость i-го компонента.

Проводя преобразования, аналогичные предыдущим, получим

Теперь можно найти объемный расход смеси и ее скорость в выходном канале сечением F ВЫХ.

Чтобы выявить особенности состояний влажного воздуха, мысленно проведем следующий опыт. В некоторый закрытый объем с сухим воздухом поместим небольшое количество воды. В результате ее испарения образуется смесь, которую называют влажным воздухом. Если добавить еще небольшое количество воды, то после испарения концентрация и парциальное давление пара увеличатся. Однако такое будет наблюдаться только до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие между паром и жидкостью, т.е. пока пар в смеси не станет насыщенным с давлением р Н.

С достаточной для практики точностью оба компонента влажного воздуха принимают за идеальный газ. Как для любой газовой смеси, в этом случае давление смеси определяется суммой парциальных давлений: р СМ = р СВ + р П.

Обычно приходится иметь дело с атмосферным влажным воздухом, тогда р СМ равно барометрическому давлению В, т.е. р СВ + + р П = В.

Массу пара, содержащегося в 1 м 3 влажного воздуха, называют абсолютной влажностью. Абсолютная влажность равна плотности пара, находящегося во влажном воздухе. Максимальная абсолютная влажность насыщенного влажного воздуха r" = 1/v".

Относительной влажностью называют отношение абсолютной влажности к максимально возможной при тех же условиях: j = r П /r".

Применив уравнение состояния идеального газа для парового компонента, можно записать

Часто полученное соотношение принимают за определение j. Обычно величину j выражают не в долях, а в процентах. Относительная влажность насыщенного воздуха равна 100 %. Величину j измеряют с помощью психрометров или гигрометров.

Простейший психрометр состоит из двух спиртовых термометров, один – обычный сухой термометр, а второй имеет устройство увлажнения. Термодатчик влажного термометра обернут хлопчатобумажной тканью, которая находится в сосуде с водой. Скорость испарения влаги увеличивается по мере уменьшения относительной влажности воздуха. Испарение влаги вызывает охлаждение объекта, с которого влага испаряется. По мере охлаждения термодатчика влажного термометра уменьшается и скорость испарения влаги до тех пор, пока при некоторой температуре будет достигнуто динамическое равновесие – количество испарившейся влаги сравняется с количеством конденсирующейся. Таким образом, температура влажного термометра даст информацию об относительной влажности воздуха. Термометры имеют точную градуировку с ценой деления 0,2–0,1 градуса. В конструкцию прибора для удобства пользования может включаться психометрическая таблица.

Массу влажного воздуха, находящегося в некотором объеме V, определяют суммой масс сухого воздуха и пара

m ВВ = m C В + m П.

После деления этой формулы на величину V получим

r ВВ = r C В + r П.

Используя уравнение состояния для сухого воздуха и приведенные выше соотношения, найдем

Подставим найденные величины в формулу для плотности влажного воздуха и после простых преобразований получим:

Отметим теперь, что R B < R П, значит (1/R B – 1/R П) > 0. Величина B/(R B ×T) равна плотности сухого воздуха при барометрическом давлении. Тогда из последней формулы следует вывод: плотность влажного воздуха меньше, чем плотность сухого воздуха при том же (обычно барометрическом) давлении. Правда, разница плотностей невелика, поэтому в технических расчетах обычно принимают r ВВ = r C В, хотя при необходимости более точные расчеты можно выполнять с использованием последнего выражения.

В практических расчетах широко используют параметр влажного воздуха, называемый влагосодержанием d. По определению, влагосодержание – это количество влаги или пара, кг(г), приходящееся на каждый килограмм сухого воздуха:

Для объема V величины m П = V × r П, m СВ = V × r СВ. Тогда

Отношение R СВ /R П =0,622, поэтому окончательно имеем

Важным параметром влажного воздуха является его энтальпия, которая складывается из энтальпии сухого воздуха и энтальпии пара, содержащихся в смеси:

H = H CB + H П = c Р СВ × t + d × (h" + r + c Р П × (t – t Н)).

Аналитические связи между t, j, d и Н достаточно сложные и часто неалгебраические. Поэтому решение многих задач затруднительно, требует итеративных методов. Чтобы упростить и облегчить расчеты, используют специальную диаграмму H–d, построенную для давления В = 745 мм рт. ст. на основании таблиц насыщения и приведенных выше формул. Эта диаграмма построена в косоугольной сетке координат:

На диаграмме нанесены сетка линий j = const, сетка изотерм t = const и линии Н = const, направленные под углом 45° к вертикали. Наличие этих сеток позволяет по любым двум заданным параметрам из перечня t, j, d и H найти точку на диаграмме, а значит, и другие два неизвестных параметра.

Во многих технических устройствах, например в пароструйных аппаратах, смесительных подогревателях пара и др., осуществляется адиабатное (без внешнего теплообмена) смешивание потоков водяного пара, в результате которого параметры пара исходных потоков претерпевают изменения.

Итак, пусть два (для простоты рассуждений) потока пара с массовыми расходами М 1 и М 2 и параметрами пара р 1 , v 1 , t 1 , h 1 , s 1 и р 2 , v 2 , t 2 , h 2 , s 2 смешиваются в камере и покидают ее с параметрами р СМ, v СМ, t СМ, h СМ, s СМ. Требуется определить параметры смеси.

Ясно, что массовый расход выходного потока составит М СМ = = М 1 + М 2 , а массовые доли g 1 , и g 2 пара соответствующих потоков

Поставленную задачу достаточно просто решить с помощью диаграммы h–s воды и пара. По заданным параметрам р 1 , t 1 и р 2 , t 2 на диаграмме найдем точки 1 и 2. Если процесс смешивания происходит обратимым способом, то удельная энтропия смеси s CM , как величина аддитивная, будет определяться суммой s CM = g 1 ×s 1 + g 2 ×s 2 , отражающей условие обратимости:

Параметры образующейся смеси найдем, соединив точки 1 и 2 и определив положение точки 3 по отношению отрезков l 13 и l 32 , длина которых определяется соотношением

Докажем, что такая пропорция удовлетворяет и условию обратимости, и уравнению теплового баланса h СМ = g 1 ×h 1 + g 2 ×h 2 .

Из подобия треугольников 1а3 и 3b2 следует простое соотношение

откуда получим

h 3 ×g 1 – h 1 ×g 1 = h 2 ×g 2 – h 3 ×g 2 .

h 3 ×(g 1 + g 2) = h 1 ×g 1 + h 2 ×g 2 .

Ho g 1 + g 2 = 1, значит,

h 3 = h СМ = h 1 ×g 1 + h 2 ×g 2 .

Аналогично, анализируя соотношения между отрезками l 1 a и l 3 b , можно убедиться, что соблюдается и условие обратимости.

В действительности же процесс смешивания – процесс необратимый и в соответствии со вторым законом термодинамики энтропия смеси больше энтропии обоих потоков до смешивания:

s CM = g 1 ×s 1 + g 2 ×s 2 + Ds НЕОБР.

Обычно давления пара на входах и выходе из камеры смешивания очень близки, и их можно считать одинаковыми, т.е. точки 1, 2 и 3 Н лежат на одной изобаре:

Если же в процессе такого смешивания происходит подвод или отвод теплоты, то и энтальпия, энтропия смеси будут дополнительно изменяться. Поскольку теплообмен здесь осуществляется при p=const, величина энтальпии изменится на количество теплоты, участвовавшей в теплообмене, Dh = q:

Приведенный метод позволяет определить параметры состояния смеси и при смешивании нескольких потоков пара. При этом сначала определяется состояние пара при смешивании двух потоков, потом аналогично при смешивании полученной смеси с третьим потоком и т.д.

Массовые доли каждого из компонентов любой смеси определятся по величинам массовых расходов М 1 и М 2 первого и второго потоков. Влагосодержание d и энтальпия h – параметры аддитивные, поэтому можно записать

d CM = g 1 ×d 1 + g 2 ×d 2 и h CM = g 1 ×h 1 + g 2 ×h 2 = g 1 ×h 1 + (1 – g 1)×h 2 ,

поскольку g 1 + g 2 = 1.

Величины d 1 , d 2 , h 1 , h 2 можно определить по диаграмме h–d по заданным значениям температур t 1 и t 2 и относительных влажностей j 1 , и j 2:

На диаграмме кроме точек 1, 2 и 3, отображающих параметры каждого из потоков и образующейся смеси, нанесены точки 4, 5 и 6, необходимые для дальнейших рассуждений.

Параметры смеси можно определить, не прибегая к расчетам. Для этого через точки 1 и 2 надо провести прямую и найти положение точки 3, использовав полученное ранее соотношение

Проведем простейшие преобразования, подставив значение h СМ:

Осталось доказать, что при таком делении отрезка 1–2 величина d CM также определится правильно. Для этого запишем отношения сторон выделенных треугольников к их высотам, учитывая, что эти высоты определяются разностями влагосодержаний d:

Отсюда найдем

g 2 ×d 2 – g 2 ×d СМ = g 1 ×d СМ – g 1 ×d 1 .

d СМ ×(g 1 + g 2) = g 1 ×d 1 + g 2 ×d 2 ; d СМ = g 1 ×d 1 + g 2 ×d 2 .

Последняя формула полностью соответствует свойству аддитивности.

Пусть в отдельных термостатированных сосудах под одинаковым давлением p находятся газы А и В , взятые в количествах имолей. При соединении этих сосудов произойдет самопроизвольное смешение газов вплоть до установления однородного состава газовой смеси по всему объему системы. Будем предполагать, что исходные газы и их смеси подчиняются уравнениям состояния идеальных газов. Тогда при сохранении постоянного общего давления газов p парциальные давления газов в образовавшейся смеси будут равны

При смешении идеальных газов тепловые эффекты отсутствуют, поэтому теплообмена между газами и термостатом не происходит, и изменение энтропии системы будет полностью определяться необратимостью процессов внутри системы.

Чтобы найти искомое изменение энтропии, необходимо противопоставить описанному самопроизвольному процессу мысленный равновесный переход между теми же начальным и конечным состояниями системы.

Для равновесного смешения газов воспользуемся специальным гипотетическим устройством, по аналогии с термостатомназываемым хемостатом. Это устройство состоит из термостатируемого цилиндра, снабженного перемещающимся без трения поршнем; в основании цилиндра находится избирательно проницаемая только для данного индивидуального химического вещества мембрана; последняя отделяет индивидуальное вещество, загруженное в хемостат, от изучаемой смеси веществ, находящейся в другом сосуде. В отличие от термостата, предназначенного для поддержания заданной температуры погруженного в него тела, либо для нагревания или охлаждения последнего в равновесном режиме, с помощью хемостата обеспечивают поддержание определенного значения химического потенциала данного индивидуального вещества в исследуемой смеси веществ, а также равновесный подвод и отвод вещества из смеси. Химический потенциал i -гохимического компонента в хемостате однозначно определяется температурой T и давлением, создаваемым на поршне. Изменяя давление на поршне, можно изменять направление перехода данного компонента через селективную мембрану: если – химический потенциал компонента в исследуемой смеси, то при вещество будет подводиться в смесь, при – выводиться из смеси, и при между хемостатом и смесью поддерживается химическое равновесие. Квазиравновесному изменению состава смеси соответствует диффузионный перенос вещества через мембрану под действием весьма малой разности значений химического потенциала по обе стороны мембраны.

Химический потенциал идеального газа, независимо от того, находится ли этот газ в индивидуальном состоянии или же в смеси с другими идеальными газами, выражается простым соотношением , где p i есть либо давление чистого газа, либо его парциальное давление в смеси. Поэтому при переносе идеального газа через полупроницаемую мембрану равновесие между смесью и хемостатом характеризуется равенством давления в хемостате и парциального давления газа в смеси.

Рис. 2.3. Равновесное смешение двух газов с помощью хемостатов: a – начальное состояние системы; б – состояние системы после изотермического расширения газов; в – конечное состояние после смешения газов через мембраны; 1 – хемостаты индивидуальных газов A и B ; 2 – полупроницаемые мембраны; 3 – сосуд для равновесного смешения газов.

Равновесное смешение идеальных газов A и B проведем в термостатируемой системе, состоящей из двух хемостатов индивидуальных компонентов A и B , соединенных с третьим сосудом – сборником образующейся смеси, снабженным, так же как и хемостаты, подвижным поршнем (рис. 2.3).

Пусть в начальный момент в хемостатах содержится соответственно молей компонента A и молей компонента B под одинаковым давлением p ; поршень в сборнике смеси находится в нулевой позиции (объем газа под поршнем равен нулю). Процесс смешения проводим в два этапа. На первом этапе совершаем обратимое изотермическое расширение газов A и B ; при этом давление A снижаем от p до заданного давления и давление B соответственно от p до . Объемы, занимаемые газами в первом и во втором хемостатах, изменятся соответственно от до и от до . Работа, совершенная расширяющимся газом в первом хемостате, равна ; во втором . Таким образом, на первом этапе в нашем гипотетическом устройстве производится суммарная работа . Так как при изотермическом расширении идеального газа его внутренняя энергия не изменяется, указанная работа осуществляется за счет эквивалентного подвода теплоты из термостата . Отсюда обратимое изменение энтропии в системе будет равно

На втором этапе процесса (собственно смешении) производим перепускание газов из хемостатов через селективные мембраны в сборник смеси путем синхронизированного движения трех поршней. При этом на каждом из поршней поддерживается постоянное давление, соответственно, и в хемостатах и в сборнике, что обеспечивает равновесный переход газов через мембраны (точнее говоря, в сборнике создается давление, чуть меньшее p , сохраняя отличную от нуля движущую силу диффузии через мембраны). Обратимость процесса смешения в данном случае обеспечивается возможностью синхронного изменения направления движения всех трех поршней, что приводило бы к обратному разделению смеси на индивидуальные компоненты. После завершения операции смесь, очевидно, займет в сборнике объем .

Так как в случае идеальных газов смешение не сопровождается каким-либо тепловым эффектом, теплообмен нашего устройства с термостатом на втором этапе операции отсутствует, . Следовательно, изменение энтропии системы на этом этапе не происходит, .

Полезно убедиться путем прямого подсчета, что работа газов на втором этапе равна нулю. Действительно, на перемещение поршней в хемостатах расходуется работа , в то же время в сборнике газами производится та же самая по величине работа . Отсюда .

Итак, суммарный прирост энтропии при смешении газов определяется выражением (2.9), . Если при равновесном варианте смешения этот прирост связан с обратным подводом теплоты и производством эквивалентного количества работы , то при прямом (необратимом) смешении газов этот же прирост энтропии происходит за счет ее генерации внутри системы; никакой работы система при этом не совершает.

После подстановки (2.8) выражение (2.9) можно переписать в виде

. (2.10)

Этому соотношению отводится обязательное место в курсах термодинамики ввиду его кажущейся парадоксальности. Примечательно, что для изменения энтропии (при смешении идеальных газов!) не имеет значения, что с чем смешивается, а также при каких давлении и температуре. По существу здесь приведен неформальный вывод (2.10).

Дополним вывод (2.10) его полезными следствиями. Вводя молярные доли компонентов и , получим выражение для изменения энтропии в расчете на 1 моль образующейся смеси:

. (2.11)

Максимум этой функции приходится на эквимолярную смесь газов, 0.5.

С точки зрения теории разделения смесей веществ представляет интерес проследить изменение производства энтропии при добавлении достаточно большого числа молей компонента B к одному молю компонента A . Полагая в (2.10) и , получим

При выводе (2.12) использовалось математическое представление логарифмической функции

.

Формула (2.12) показывает, что последовательное разведение смеси сопровождается бесконечным ростом энтропии в расчете на моль примесного компонента.

Формула (2.10) дает интегральную величину приращения энтропии при смешении конечных количеств газа. Для того, чтобы придти к компактному дифференциальному выражению, аналогичному формуле (2.7) для теплообмена, видоизменим модель смешения компонентов (см. рис. 2.4). Будем предполагать, что смешение происходит через проницаемую для обоих компонентов мембрану, либо через достаточно узкий вентиль, разделяющие сосуды, заполненные смесями A и B разного состава. Система термостатирована, и в обоих сосудах при помощи поршней поддерживается постоянное давление p . При ограниченной скорости смешения состав смеси в каждом из сосудов может считаться однородным по объему сосуда. Таким образом, данная система аналогична теплообменной системе со слабопроводящей перегородкой.

Вообразим себе три горизонтальных слоя А, В и С нашего газового столба, причем слой В расположен выше А, а А - выше С. Всегда возмжно получить любое количество смеси состава А, смешав некоторый объем из слоя С с объемом из слоя В. Обратно, любое количество смеси состава А можно разложить на две смеси с составом В и С.

Это смешивание и разделение двух газов можно осуществить и обратимым путем, укрепив в А, В и С горизонтальные трубы. Тот конец каждой такой трубы, который выходит из газового столба наружу, закрывается поршнем. Будем теперь в слоях В и С вдвигать поршни внутрь, двигая их, скажем, слева направо, а в точке А, наоборот, будем выдвигать поршень наружу, т. е. справа налево. Тогда в В и С некоторые массы газа уйдут из столба, а в А, наоборот, поступит какой-то объем смеси. Мы примем, что в каждой такой трубе содержится некоторая масса смеси того же самого состава, что и горизонтальный слой газового столба, с которым сообщатся данная труба.

Значения определятся тогда из уравнений

Отсюда следует, что

Разделим теперь смесь каким-либо обратимым путем и подсчитаем затраченную работу.

Введем в А единицу объема смеси, а из В и выведем, соответственно, объемы

Вся работа, затраченная при этом процессе, равна

подставляя сюда значения видим, что эта работа равна нулю.

Здесь имеется некоторая тонкость: смеси В и на которые распалась смесь А, подняты на различную высоту и приобрели, таким образом, различную потенциальную энергию. Но раз работа равна нулю и температура системы постоянна, то это возможно лишь в том случае, если система отдала или получила некоторое количество теплоты. Зная изменение потенциальной энергии, найдем количество теплоты, сообщенное системе, а отсюда и изменение энтропии.

Приращение потенциальной энергии составит

но оно равно количеству теплоты, сообщенному системе, так что приращение энтропии будет равно

На такую величину сумма энтропий объема смеси В и объема смеси С больше энтропии единицы объема смеси А. Отсюда можно найти объемы смесей В и С, сумма энтропий которых равна энтропии единицы объема смеси А; для этого доведем объемы смесей В и С обратимым изотермическим путем до объемов и сумму приращений энтропий обеих смесей при этом процессе приравняем выражению (75), взятому с обратным знаком.

Приращение энтропии для смеси В составит

Подставим в уравнение (76) выражение для давлений через плотности

2. Смешение газов и паров, имеющих разные температуры.

Так образуются атмосферные туманы. Чаще всего туман появляется при ясной погоде ночью, когда поверхность Земли, интенсивно отдавая тепло, сильно охлаждается. Теплый влажный воздух соприкасается с охлаждающейся Землей или с холодным воздухом вблизи ее поверхности и в нем образуются капельки жидкости. То же происходит при смешении фронтов теплого и холодного воздуха.

3. Охлаждение газовой смеси, содержащей пар.

Этот случай можно проиллюстрировать на примере чайника, в котором закипела вода. Из носика вырывается водяной пар, который невидим, поскольку не рассеивает свет. Далее водяной пар быстро охлаждается, вода в нем конденсируется, и уже на небольшом расстоянии от носика чайника мы видим молочное облачко - туман, ставший видимым из-за способности рассеивать свет. Аналогичное явление наблюдается, когда мы открываем форточку в морозный день. Более прочный аэрозоль образуется, когда закипевшее на сковородке масло создает в помещении газ (масляный аэрозоль), удалить который можно лишь хорошо проветрив помещение.

Кроме того, конденсационный аэрозоль может образовываться в результате газовых реакций, ведущих к образованию нелетучих продуктов:

· при сгорании топлива образуются дымовые газы, конденсация которых приводит к появлению топочного дыма;

· при сгорании фосфора на воздухе образуется белый дым (Р 2 О 5);

· при взаимодействии газообразных NH 3 и НС1 образуется дым МН 4 С1 (тв);

· окисление металлов на воздухе, происходящее в различных металлургических и химических процессах, сопровождается образованием дымов, состоящих из частиц оксидов металлов.

ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Диспергационные аэрозоли образуются при измельчении (распылении) твердых и жидких тел в газовой среде и при переходе порошкообразных веществ во взвешенных состояниях при действии воздушных потоков.

Распыление твердых тел происходит в две стадии:

измельчение, а затем распыление. Перевод вещества в состояние аэрозоля должен быть осуществлен в момент применения аэрозоля, так как в отличие от других дисперсных систем - эмульсий, суспензий, аэрозоли нельзя приготовить заранее. В бытовых условиях почти единственным средством получения жидких и порошкообразных аэрозолей является устройство, называемое «аэрозольной упаковкой» или «аэрозольным баллоном». Вещество в нем упаковывается под давлением и распыляется при помощи сжиженных или сжатых газов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АЭРОЗОЛЕЙ

Свойства аэрозолей определяются:

Природой веществ дисперсной фазы и дисперсионной среды;

Частичной и массовой концентрацией аэрозоля;

Размером частиц и распределением частиц по размерам;

Формой первичных (неагрегированных) частиц;

Структурой аэрозоля;

Зарядом частиц.

Для характеристики концентрации аэрозолей, как и других дисперсных систем, используются массовая концентрация и численная (частичная) концентрация.

Массовая концентрация - масса всех взвешенных частиц в единице объема газа.

Численная концентрация - число частиц в единице объема аэрозоля. Как бы ни велика была численная концентрация в момент образования аэрозоля, уже через несколько секунд она не может превышать 10 3 частиц/см 3 .

РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ

Минимальный размер частиц определен возможностью существования вещества в агрегатном состоянии. Так, одна молекула воды не может образовать ни газа, ни жидкости, ни твердого тела. Для образования фазы необходимы агрегаты по крайней мере из 20-30 молекул. Самая маленькая частица твердого вещества или жидкости не может иметь размер меньше 1 10 -3 мкм. Чтобы рассматривать газ как непрерывную среду, необходимо, чтобы размеры частиц были гораздо больше, чем свободный пробег молекул газа. Верхний предел размеров частиц строго не определен, но частицы крупнее 100 мкм не способны длительное время оставаться взвешенными в воздухе.

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ

Особенности молекулярно-кинетических свойств аэрозолей обусловлены:

Малой концентрацией частиц дисперсной фазы - так, если в 1 см 3 гидрозоля золота содержится 10 16 частиц, то в таком же объеме аэрозоля золота менее 10 7 частиц;

Малой вязкостью дисперсионной среды - воздуха, следовательно, малым коэффициентом трения (В), возникающего при движении частиц;

Малой плотностью дисперсионной среды, следовательно ρ част » ρ газа.

Все это приводит к тому, что движение частиц в аэрозолях происходит значительно интенсивнее, чем в лиозолях.

Рассмотрим самый простой случай, когда аэрозоль находится в закрытом сосуде (т. е. исключены внешние потоки воздуха) и частички имеют сферическую форму радиусом г и плотность р. На такую частицу одновременно действуют сила тяжести, направленная вертикально вниз, и сила трения прямо противоположного направления. Кроме того, частица находится в броуновском движении, следствием которого является диффузия.

Для количественной оценки процессов диффузии и седиментации в аэрозолях можно использовать значения

удельного потока диффузии i диф и

удельного потока седиментации i сед. .

Чтобы выяснить, какой поток будет преобладать, рассматривают их соотношение:

В этом выражении (р - р 0) » 0. Следовательно, величина дроби будет определяться размером частиц.

Если r > 1 мкм, то i сед » i диф, т. е. диффузией можно пренебречь - идет быстрая седиментация и частицы оседают на дно сосуда.

Если 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.

Таким образом, из аэрозоля быстро исчезают как очень мелкие, так и очень крупные частицы: первые вследствие прилипания к стенкам или слипания, вторые - в результате оседания на дно. Частицы промежуточных размеров обладают максимальной устойчивостью. Поэтому, как бы ни велика была численная концентрация частиц в момент образования аэрозоля, уже через несколько секунд она не превышает 10 3 част/см 3 .

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ

Электрические свойства частиц аэрозоля значительно отличаются от электрических свойств частиц в лиозоле.

1. На частицах аэрозоля не возникает ДЭС, так как из-за низкой диэлектрической проницаемости газовой среды в ней практически не происходит электролитическая диссоциация.

2. Заряд на частицах возникает, главным образом, за счет неизбирательной адсорбции ионов, которые образуются в газовой фазе в результате ионизации газа космическими, ультрафиолетовыми или радиоактивными лучами.

3. Заряд частиц носит случайный характер, и для частиц одной природы и одинакового размера может быть различным как по величине, так и по знаку.

4. Заряд частицы изменяется во времени как по величине, так и по знаку.

5. В отсутствие специфической адсорбции заряды частиц очень малы и обычно превышают элементарный электрический заряд не более, чем в 10 раз.

6. Специфическая адсорбция характерна для аэрозолей, частицы которых образованы сильно полярным веществом, так как в этом случае на межфазной поверхности возникает достаточно большой скачок потенциала, обусловленный поверхностной ориентацией молекул. Например, на межфазной поверхности аэрозолей воды или снега существует положительный электрический потенциал порядка 250 мВ.

Из практики известно, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно несут отрицательный заряд (Zn, ZnO, MgO, Fe 2 0 3), а частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов (SiO 2 , P 2 O 5) заряжены положительно. Положительно заряжены частицы NaCl, крахмала, а частицы муки несут отрицательные заряды.

АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ. КОАГУЛЯЦИЯ

В отличие от остальных дисперсных систем в аэрозолях отсутствует всякое взаимодействие между поверхностью частиц и газовой средой, а значит, отсутствуют силы, препятствующие сцеплению частиц между собой и с макроскопическими телами при соударении. Таким образом, аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми системами. Коагуляция в них происходит по типу быстрой коагуляции, т. е. каждое столкновение частиц приводит к их слипанию.

Скорость коагуляции быстро возрастает с увеличением численной концентрации аэрозоля.

Независимо от начальной концентрации аэрозоля через несколько минут в 1 см 3 находится 10 8 -10 6 частиц (для сравнения - в лиозолях ~ 10 15 частиц). Таким образом, мы имеем дело с весьма сильно разбавленными системами.

Зависимость скорости коагуляции от увеличения численности концентрации аэрозоля
Начальная численная концентрация в 1 см 3	Время, необходимее для уменьшения концентрации аэрозоля в 2 раза
	Доли секунды
	15-30 с
	30 мин
	Несколько суток

МЕТОДЫ РАЗРУШЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ

Несмотря на то, что аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми, проблема их разрушения стоит очень остро. Основные проблемы, при разрешении которых возникает необходимость разрушения аэрозолей:

Очистка атмосферного воздуха от промышленных аэрозолей;

Улавливание из промышленного дыма ценных продуктов;

Искусственное дождевание или рассеивание облаков и тумана.

Разрушение аэрозолей происходит путем

· рассеивания под действием воздушных течений или вследствие одноименных зарядов частиц;

· седиментации;

· диффузии к стенкам сосуда;

· коагуляции;

· испарения частиц дисперсной фазы (в случае аэрозолей летучих веществ).

Из очистных сооружений наиболее древним является дымовая труба. Вредные аэрозоли стараются выпускать в атмосферу как можно выше, так как некоторые химические соединения, попадая в приземный слой атмосферы под действием солнечных лучей и в результате разных реакций, превращаются в менее опасные вещества (на Норильском горно-металлургическом комбинате, например, трехканальная труба имеет высоту 420 м).

Однако современная концентрация промышленного производства требует, чтобы дымовые выбросы проходили предварительную очистку. Разработано много способов разрушения аэрозолей, но любой из них состоит из двух стадий:

первая - улавливание дисперсных частиц, отделение их от газа,

вторая - предотвращение повторного попадания частиц в газовую среду, это связано с проблемой адгезии уловленных частиц, формированием из них прочного осадка.

АЭРОЗОЛЬНЫЕ БАЛЛОНЫ

Принцип действия аэрозольного баллона состоит в том, что помещенный в упаковку препарат смешивается с эвакуирующей жидкостью, давление насыщенного пара которой в интервале температур, при которых эксплуатируется упаковка, выше атмосферного.

Выброс смеси из баллона происходит под действием давления насыщенного пара, находящегося над жидкостью.

Известно, что давление насыщенного пара любого стабильного вещества определяется только температурой и не зависит от объема. Поэтому в течение всего времени работы баллона давление в нем будет оставаться постоянным, следовательно, практически постоянной будет оставаться дальность полета частиц и угол конуса распыления.

В зависимости от характера взаимодействия распыляемого вещества с эвакуирующей жидкостью и его агрегатного состояния, системы в аэрозольной упаковке будут состоять из различного числа фаз. В случае взаимной растворимости компонентов образуется гомогенный жидкий раствор, в других случаях - эмульсия или суспензия и, наконец, гетерогенная система, когда препарат и эвакуирующая жидкость образуют макроскопически неоднородную систему. Очевидно, что в первом случае в аэрозольной упаковке находится двухфазная система - жидкость и насыщенный пар. При выпуске в атмосферу эмульсии или суспензии происходит дробление только дисперсионной среды - получаемые частицы в лучшем случае будут иметь размеры, которые они имели в жидкой фазе.

Когда препарат и эвакуирующая жидкость не смешиваются или ограниченно смешиваются между собой, причем одна из жидкостей диспергирована в другой в виде мелких капелек, образуются эмульсии.

Характер системы, образующейся при выходе продукта из упаковки в атмосферу, зависит от того, какая из жидкостей является дисперсной фазой. Если дисперсная фаза - это препарат, то образуется аэрозоль. Если дисперсной фазой является эвакуирующая жидкость, то получается пена. Размер частиц, получаемых при помощи аэрозольных баллонов, зависит от физико-химических свойств веществ, входящих в состав препарата, соотношения компонентов, конструктивных особенностей баллона и температурных условий его эксплуатации.

Степень дисперсности можно регулировать: « варьируя размеры выходного отверстия;

Изменяя давление насыщенного пара эвакуирующей жидкости;

Меняя количественное соотношение препарата и эвакуирующего агента.

ЭВАКУИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Важнейшим вспомогательным компонентом является вещество, которое обеспечивает выброс препарата в атмосферу и последующее его диспергирование. Эти вещества получили название пропеллентов {лат. «рго-peilere» - гнать). Пропеллент должен выполнять две функции:

Создавать необходимое давление для выброса препарата;

Диспергировать продукт, выпущенный в атмосферу. В качестве пропеллентов используют фреоны и сжатые газы. Фреоны - это низкомолекулярные фторорганические соединения алифатического ряда .

Принята следующая система обозначений фреонов: последняя цифра (число единиц) означает число атомов фтора в молекуле, предшествующая цифра (число десятков) - число атомов водорода, увеличенное на единицу, и третья (число сотен) - число атомов углерода, уменьшенное на единицу. Например: F-22 - это CHC1F 2 , F-114 - это C 2 C1 2 F 4 .

Вещества, состоящие из молекул циклического строения, также имеют цифровое обозначение, но перед цифрами ставится буква «С», например: С318 - C 4 F 8 (октафторциклобутан).

В качестве сжатых газов применяют N 2 , N 2 O, CO 2 и др.

ПРЕИМУЩЕСТВА АЭРОЗОЛЬНЫХ УПАКОВОК

1. Перевод препарата в мелкодисперсное состояние происходит за счет потенциальной энергии сжиженного пропеллента и не требуется применение каких-либо посторонних устройств.

2. Для создания аэрозолей не нужны какие-либо насадки.

3. В единицу времени можно диспергировать значительное количество вещества с получением частиц малого размера - в случае применения других способов потребовалось бы гораздо больше энергии.

4. Режим туманообразования стабилен: размер получаемых частиц, дальность их полета, угол в вершине конуса в течение всего времени эксплуатации мало меняются.

5. Можно заранее фиксировать дозировку распыляемого вещества.

6. Можно задавать размер частиц.

7. Степень полидисперсности аэрозоля невелика.

8. Все частицы имеют одинаковый химический состав.

9. Обеспечивается стерильность распыляемых препаратов.

10. Препарат в упаковке не соприкасается с кислородом воздуха, что обеспечивает его стабильность.

11. Автоматически закрывающийся клапан исключает возможность потери за счет проливания или испарения неиспользованной части продукта.

12. Упаковка постоянно готова к работе.

13. Упаковка компактна. Дает возможность индивидуального или коллективного использования.

Первые аэрозольные упаковки появились в 80-х гг. XX в. в Европе. Во время Второй мировой войны инициативу в области их разработки захватили США. В 1941 г. была создана аэрозольная упаковка - средство для уничтожения насекомых, упакованное в стеклянный сосуд. Пропеллентом служил фреон-12.

В промышленных масштабах производство началось после Второй мировой войны в США, а затем в других странах мира.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ АЭРОЗОЛЕЙ

Широкое использование аэрозолей обусловлено их высокой эффективностью. Известно, что увеличение поверхности вещества сопровождается увеличением его активности. Незначительное количество вещества, распыленное в виде аэрозоля, занимает большой объем и обладает большой реакционной способностью. В этом состоят преимущества аэрозолей перед другими дисперсными системами.

Аэрозоли применяются:

В различных областях техники, в том числе в военной и космической;

В сельском хозяйстве; « в здравоохранении;

В метеорологии; в в быту и т. д.

В последнее время в фармацевтической практике широко применяют приготовление лекарственных форм в виде аэрозолей. Использование лекарственных веществ в виде аэрозолей удобно в тех случаях, когда нужна воздействовать препаратом на большие поверхности (острые заболеваний дыхательных путей, ожоги и т. п.). Большой эффект дают лекарственные формы, содержащие в своем составе жидкие пленкообразующие вещества. При распылении такого препарата на пораженный участок он покрывается тонкой, прозрачной пленкой, которая заменяет повязку.

Остановимся подробнее на применении аэрозольных упаковок.

В настоящее время насчитывается более 300 видов товаров в аэрозольных упаковках.

Первая группа: средства бытовой химии.

Инсектициды - препараты для уничтожения насекомых.

Средства против моли.

Инсектициды для обработки домашних животных.

Средства защиты комнатных растений и плодово-ягодных культур от грибковых болезней и вредителей.

Лаки и краски.

Освежители воздуха.

в Полирующие и чистящие составы.

Вторая группа:

Парфюмерно-косметические средства. « Средства ухода за волосами (лаки, шампуни и т. д.).

Пены и гели для бритья.

Кремы для рук и ног.

Масло для и от загара.

Дезодоранты.

Духи, одеколоны, туалетная вода.

Третья группа: медицинские аэрозоли.

Четвертая группа: технические аэрозоли.

Смазочные масла.

Антикоррозионные покрытия.

Защитные пленки. « Сухие смазки.

Эмульсии для охлаждения резцов на сверлильных станках.

Пятая группа: пищевые аэрозоли.

ПИЩЕВЫЕ АЭРОЗОЛИ

Первые баллоны с пищевыми продуктами появились в 1947 г. в США. Они содержали кремы для отделки тортов и пирожных и применялись только в ресторанах, которые возвращали их для повторного заполнения. Массовое производство этого вида аэрозольных упаковок началось лишь в 1958 г.

Аэрозольные упаковки пищевых продуктов можно разделить на три основных группы:

упаковки, требующие хранения при низкой температуре;

упаковки с последующей тепловой обработкой;

упаковки без последующей тепловой обработки.

В аэрозольных упаковках выпускаются пищевые продукты трех видов: кремы, жидкости, пасты. В аэрозольных упаковках можно купить приправы для салатов, плавленый сыр, соки, корицу, майонез, томатный сок, 30% -е взбитые сливки и т. д.

Рост производства пищевых аэрозолей объясняется следующим:

преимуществами перед обычными видами тары;

разработкой новых пропеллентов;

усовершенствованием технологии заполнения.

Преимущества аэрозольной упаковки пищевых продуктов:

удобство использования;

экономия времени;

пища упаковывается в подготовленном к употреблению состоянии и выдается из упаковки в однородном виде;

нет утечки продуктов;

влага не теряется и не проникает в упаковку;

не теряется аромат;

продукт сохраняется в стерильном виде.

К рецептурам пищевых аэрозолей предъявляются следующие требования:

1. Пропелленты должны быть высокой чистоты, не быть токсичными, не иметь вкуса и запаха. В настоящее время используются диоксид углерода, закись азота, азот, аргон и фреон С318.

2. Сжатые газы, имеющие весьма ограниченную растворимость в водных растворах, не могут участвовать в образовании пены, а это необходимо для взбитых сливок, декоративных кремов, муссов и т. п. С этими продуктами предпочтительнее использовать фреон С318, хотя он значительно дороже.

Таблица 18.4 Примеры рецептур различных пищевых аэрозолей

Ингредиенты, сходящие в состав аэрозолей	Количество, % массы
1. Сбитый крем для закусочных бутербродов
Творог со сливками	50-60
	25-30
Растительное масло и ароматические добавки	6-10
Фреон С318	7
2. Сахарная глазурь для отделки кондитерских изделий
Сахар	55-60
Вода	15-25
Растительное масло
твердое	9-14
жидкое	3-5
Соль поваренная	0,1-0,3
Микрокристаллическая целлюлоза	1,0
Отдушки	1-4
Эмульгаторы	0,5-1
Фреон С318	7
3. Мусс
Мед или фруктовый сироп	78-83
Вода	7-9
Растительное масло (твердое)	3-5
Микрокристаллическая целлюлоза	1-2
Моноглицериды	0,5-1
Полиэфиры сорбита	0,05-1
Фреон СЗ18	7
Продолжение таблицы 18.4
Ингредиенты, входящие в состав аэрозолей		Количество, % массы
4. Декоративный соус в виде пены
Горчица (тонко измельченный порошок)		0,94
Лимонный сок		4,72
Уксус		9,44
Вода		34
Полисорбат 80		0,5
Эмульгирующая смесь		2,25
Микрокристаллическая целлюлоза		2,5
Добавки - стабилизаторы пены		4,59
Фреон С318 + закись азота (Р=8 атм)		7
5. Масляно-уксусная заправка в виде пены
Вода		11,80
Соль		1,96
Сахар		1,47
Винный уксус		22,81
Оливковое масло		61,75
Полисорбат 80		0,10
Чесночное масло		0,12
Масло черного перца		0,10
Фреон С318		10,0
6. Заправка для жареных кукурузных зерен
Соль (экстра)		10,00
Растительное масло		58,97
Прочие добавки из масел		0,03
Краситель		1,00
Фреон-С318		10,00

3. Использование фреонов дает еще одно преимущество: сжиженные газы вводятся в рецептуры продуктов, которые выделяются в виде пены, в количестве не более 10% веса, при этом они занимают сравнительно небольшой объем. Это позволяет загрузить в баллон значительно больше продуктов - 90% емкости баллона (в упаковках со сжатым газом лишь 50%) и гарантирует полную выдачу продукта из упаковки.

4. Выбор пропеллента диктуется типом пищевого продукта и предполагаемой формой его выдачи (крем, жидкость, паста). Хорошо зарекомендовали себя смеси СОг и закиси азота высокой чистоты. Для получения пены применяются смеси фреона С318 с закисью азота. Упакованный с этой смесью крем для отделки тортов дает устойчивую пену, хорошо сохраняющую цвет. Для сиропов самым подходящим пропеллентом считается СО2.

Качество выдачи содержимого из баллона зависит от следующих факторов:

Технологии приготовления продукта;

Стабилизатора (широко используется микрокристаллическая целлюлоза);

Правильного выбора баллона и клапана.

Для корицы и лимонного сока разработана управляемая распылительная головка, которая по желанию может выдавать продукты либо в виде капель, либо в виде струи. Для искусственных подсластителей применяются дозирующие клапаны, одна выдаваемая ими доза соответствует одному куску пиленого сахара и т. д.

АЭРОЗОЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ

В мукомольной, крупяной, комбикормовой промышленности широко применяется пневматический транспорт, который создает условия для внедрения автоматизации, повышения производительности труда и снижения себестоимости. Однако применение пневматического транспорта сопряжено с большой затратой электроэнергии на перемещение большого объема воздуха (1 кг воздуха перемещает 5-6 кг сыпучего материала).

Более прогрессивным является аэрозольный транспорт, при котором большая концентрация материала в воздушном потоке достигается благодаря аэрации муки в начале транспортирования и высокому давлению воздуха. Аэрация нарушает сцепление между частицами муки, и она приобретает свойство текучести, подобно жидкости, в результате 1 кг воздуха перемещает до 200 кг муки.

Аэрозольтранспортная установка состоит из питателя, нагнетателя, материалопровода и разгрузителя. Основным элементом является питатель, в котором смешиваются воздух с материалом и смеси сообщается начальная скорость, что обеспечивает ее подачу в материалопровод.

Внедрение аэрозольтранспорта дает возможность повысить производительность мельниц и снизить удельный расход электроэнергии.

Аэрозольному транспорту принадлежит будущее не только в мукомольной, но и в других отраслях промышленности, связанных с использованием сыпучих материалов и порошков.

Аэрозоли - это микрогетерогенные системы, в которых частицы твердого вещества или капельки жидкости взвешены в газе (Т/Г или Ж/Г),

По агрегатному состоянию дисперсной фазы аэрозоли подразделяют на: туман (Ж/Г); дым, пыль (Т/Г); смог [(Ж+Т)/Г)].

По дисперсности аэрозоли бывают: туман, дым, пыль.

Как и другие микрогетерогенные системы, аэрозоли могут быть получены из истинных растворов (конденсационные методы) или из грубодисперсных систем (диспергационные методы).

Капельки воды в туманах всегда сферические, а твердые частицы дыма могут иметь разную форму в зависимости от их происхождения.

Благодаря очень маленьким размерам частиц дисперсной фазы они имеют развитую поверхность, на которой могут активно протекать адсорбция, горение, другие химические реакции.

Молекулярно-кинетические свойства аэрозолей обусловлены:

малой концентрацией частиц дисперсной фазы; малой вязкостью дисперсионной среды; малой плотностью дисперсионной среды.

В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы они могут либо быстро седиментировать (при г »1 мкм), либо прилипать к стенкам сосуда или слипаться (при г « 0,01 мкм). Наибольшей устойчивостью обладают частицы промежуточных размеров.

Для аэрозолей характерны явления термофореза, термопреципитации, фотофореза.

Оптические свойства аэрозолей сходны со свойствами лиозолей, однако рассеяние света ими выражено значительно сильнее из-за больших различий показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Специфичность электрических свойств аэрозолей состоит в том, что на частицах не возникает ДЭС, заряд частиц носит случайный характер и мал по величине. При сближении частиц не возникает электростатическое отталкивание и происходит быстрая коагуляция.

Разрушение аэрозолей является важной проблемой и осуществляется путем седиментации, коагуляции, пылеулавливания и другими методами.

Порошками называются высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются твердые частицы, а дисперсионной средой - воздух или другой газ. Условное обозначение: Т/Г.

В порошках частицы дисперсной фазы находятся в контакте друг с другом. Традиционно к порошкам относят большинство сыпучих материалов, однако в узком смысле термин «порошки» применяют к высокодисперсным системам с размером частиц, меньшим некоторого критического значения, при котором силы межчастичного взаимодействия становятся соизмеримыми с массой частиц. Наибольшее распространение имеют порошки с размерами частиц от 1 до 100 мкм. Удельная межфазная поверхность таких порошков меняется в пределах от нескольких м11.09.2011 (сажа) до долей м2/г (мелкие пески).

От аэрозолей с твердой дисперсной фазой (тоже Т/Г) порошки отличаются гораздо большей концентрацией твердых частиц. Порошок получается из аэрозоля с твердой дисперсной фазой при его седиментации. В порошок превращается также суспензия (Т/Ж) при ее высушивании. С другой стороны, и аэрозоль, и суспензия могут быть получены из порошка.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОШКОВ

1. По форме частиц:

Равноосные (имеют примерно одинаковые размеры по трем осям);

Волокнистые (длина частиц гораздо больше ширины и толщины);

Плоские (длина и ширина значительно больше толщины).

2. По межчастичному взаимодействию:

Связно дисперсные (частицы сцеплены между собой, т. е. система обладает некоторой структурой);

Свободнодисперсные (сопротивление сдвигу обусловлено только трением между частицами).

3. Классификация по размерам частиц дисперсной фазы:

Песок (2≤10 -5 ≤ d ≤ 2∙10 -3) м;

Пыль (2∙10 -6 ≤ d ≤ 2∙10 -5) м;

Пудра (d < 2∙10 -6) м.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ

Порошки, так же как любую другую дисперсную систему, можно получить двумя группами методов:

Со стороны грубодисперсных систем - диспергационными методами;

Со стороны истинных растворов - конденсационными методами.

Выбор метода зависит от природы материала, назначения порошка и экономических факторов.

ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Производится дробление сырья на вальцовых, шаровых, вибрационных или коллоидных мельницах с последующим разделением на фракции, так как в результате помола получаются полидисперсные порошки (например, мука одного и того же сорта может содержать частицы от 5 до 60 мкм).

Эффективное диспергирование может быть произведено при перетирании весьма концентрированных суспензий.

Для облегчения диспергирования применяют понизители твердости, в качестве которых выступают ПАВ. В соответствии с правилом уравнивания полярностей, ад-орбируясь на поверхности измельчаемого твердого тела, они уменьшают поверхностное натяжение, снижая энергозатраты при диспергировании и повышая дисперсность измельченной фазы.

В некоторых случаях перед диспергированием проводят предварительную обработку материала. Так, титан или тантал нагревают в атмосфере водорода, переводя в гидриды, которые измельчают и нагревают в вакууме - получаются чистые металлические порошки.

При получении чешуйчатых порошков, которые входят в состав красок и пиротехнических составов, для измельчения используют шаровые мельницы. Шары расплющивают и прокатывают частицы измельчаемого материала.

Порошки с частицами сферической формы из тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, ниобий) получают в низкотемпературной плазме дугового и высокочастотного разряда. Проходя через зону плазмы, частицы плавятся и принимают сферическую форму, затем охлаждаются и затвердевают.

В ходе диспергирования химический состав материала не изменяется.

КОНДЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Эти методы можно разделить на две группы.

Первая группа методов связана с осаждением частиц вследствие коагуляции лиофобных золей. В результате упаривания раствора или частичной замены растворителя (снижение растворимости) образуется суспензия, а после ее фильтрации и сушки получаются порошки.

Вторая группа методов связана с проведением химических реакций (химическая конденсация). Методы химической конденсации можно классифицировать на основе типа используемой реакции:

1. Обменные реакции между электролитами. Например, осажденный мел (зубной порошок) получают в результате реакции:

Na 2 CO 3 + СаС1 2 = СаСО 3 + 2 NaCl.

2. Окисление металлов.

Например, высокодисперсный оксид цинка, являющийся основным компонентом цинковых белил, получают окислением паров цинка воздухом при 300°С.

3. Окисление углеводородов.

Различные виды сажи, которую применяют при производстве резины, пластмасс, типографской краски получают сжиганием газообразных или жидких углеводородов при недостатке кислорода.

4. Восстановление оксидов металлов.

Восстановление природным газом, водородом или твердыми восстановителями используется для получения высокодисперсных металлических порошков.

И многое другое, без чего немыслима сама жизнь. Все человеческое тело – это мир частиц, находящихся в постоянном движении строго по определенным правилам, подчиняющимся физиологии человека. Коллоидные системы организмов обладают рядом биологических свойств, характеризующих то или иное коллоидное состояние: 2.2 Коллоидная система клеток. С точки зрения коллоидно-химической физиологии...

Пусть смешиваются n химически невзаимодействующих между собой идеальных газов. Предполагается, что известны начальные термодинамические параметры состояния всех компонентов до смешения и условия смешения (условия взаимодействия с окружающей средой). Требуется найти равновесные параметры состояния газов после смешения.

Рассмотрим два случая смешения, для простоты полагая, что этот процесс идет без теплообмена с окружающей средой .

2.1. Смешение при W=Const

В этом случае условия смешения таковы, что объем образующейся смеси W см равен сумме начальных объемов компонентов смеси W H i:

(Не следует путать W H i с парциальными объемами W i , рассмотренными в параграфе 1.4.3.)

Обозначим:

Р H i – начальное давление i -го газа;

Т H i , t H i – начальная температура i -го газа соответственно в 0 К или 0 С .

Т.к. вся система из n газов при смешении в условиях W=Const не совершает внешней работы, то в соответствии с первым началом термодинамики для этого случая () можно записать:

Здесь: U см – внутренняя энергия смеси газов массой m см килограммов

с температурой Т 0 К ;

U H i - внутренняя энергия i -го газа массой m i килограммов

с начальной температурой Т H i .

Введем обозначения:

u см – удельная внутренняя энергия смеси газов при температуре Т 0 К ;

u H i – удельная внутренняя энергия i -го газа с начальной температурой Т H i .

Тогда уравнение (2.1.1) принимает следующий вид:

(2.1.2)

Как известно, для идеального газа du=C v dT , откуда при отсчете внутренней энергии от 0 0 К можно записать:

Здесь: - средняя в диапазоне 0 Т 0 К массовая изохорная теплоемкость смеси газов;

Средняя в диапазоне 0 Т H i 0 К массовая изохорная теплоемкость i -го газа.

После подстановки (2.1.3) в (2.1.2) получим:

Но в соответствии с параграфом 1.4.10 истинная массовая теплоемкость смеси газов выражается через массовые доли компонентов g i и их истинные теплоемкости следующим образом:

Аналогично средняя в диапазоне 0 Т 0 К массовая изохорная теплоемкость смеси газов определится как:

Подставляя это выражение в левую часть уравнения (2.1.4) получим:

откуда (2.1.5)

Т.к. из уравнения состояния , то после подстановки m i в уравнение (2.1.5) окончательно получим формулу для температуры смеси n газов:

Как известно, , поэтому формула (2.1.6) может быть записана в следующем виде:

(Следует напомнить, что произведение - это средняя в диапазоне 0- Т H i 0 К молярная изохорная теплоемкость i -го газа.)

В справочной литературе эмпирические зависимости теплоемкости от температуры часто даются для диапазона 0 t 0 С .

После подстановки (2.1.8) и (2.1.9) в уравнение (2.1.2) получим:

Заменяя m i его значением , окончательно получим формулу для температуры смеси газов в градусах Цельсия :

Выражая R i через малекулярную массу , получим еще одну формулу:

В знаменателях формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11) содержатся средние теплоемкости, у которых в качестве верхнего предела осреднения используется температура смеси (t или Т ), подлежащая определению. В силу этого, температура смеси по этим формулам определяется методом последовательных приближений .

2.1.1. Частные случаи смешения газов при W=Const

Рассмотрим несколько частных случаев формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11).

1. Пусть смешиваются газы, у которых зависимостью показателя адиабаты К i от температуры можно пренебречь.

(В действительности К убывает с ростом температуры, т. к.

где с о р , а – эмперические положительные коэффициенты.

Для технических расчетов в диапазоне от 0 до 2000 0 С можно пользоваться следующими формулами:

а) для двухатомных газов К 1,40 - 0,50 10 -4 t ;

б) для продуктов сгорания К 1,35 - 0,55 10 -4 t .

Из этих формул видно, что влияние температуры на показатель адиабаты К становится заметным лишь при температурах, порядка сотен градусов по шкале Цельсия.)

Т. о., если допустить, что

то формула (2.1.6) примет следующий вид:

Формулу (2.1.12) можно использовать в качестве первого приближения для формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11)

2. Пусть смешиваются газы, у которых мольные изохорные теплоемкости равны и зависимостью этих теплоемкостей от температуры можно пренебречь, т. е.:

Тогда уравнение (2.1.7) принимает очень простой вид:

Если у газов равны между собой мольные изохорные теплоемкости, то в соответствии с уравнением Майера

должны быть равны между собой и мольные изобарные теплоемкости, а, следовательно, равны и показатели адиабаты, т. е.

При этом условии уравнение (2.1.12) превращается в (2.1.13).

2.1.2. Давление после смешения газов при W=Const

Давление, устанавливающееся после смешения газов, можно определить либо по формулам параграфа 1.4.2, либо из условия:

Р см W см = m см R см Т = m см Т .