CH Predn02 Sch1

Embed Size (px)

Citation preview

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    1/39

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    2/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    2

    II. Stavové chování látkových soustav Stavové chování látkové soustavy• vztah mezi teplotou, tlakem, objemem a množstvím látky

    v soustavě 

    Proč tyto veličiny ?Definice: soustava – část prostoru vyplněná materiálovounáplní ohraničená….

    Rozdělení látek podle vnitř ního uspoř ádání hmoty 

    • Tuhé (s)• Kapalné (l)• Plynné (g)• Plazma

    Cíle:• studium chování a vlastností látek v jednotlivých skupenstvích 

    • stavové chování př echodu z jednoho skupenství do druhého – v kapitole 4. 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    3/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    3

    II. Stavové chování látkových soustav 2.1 Skupenství

    2.2 Skupenské př eměny

    2.3 Skupenství plynné2.3.1 Ideální plyn2.3.2 Reálné plyny

    2.4 Skupenství kapalné

    2.5 Skupenství tuhé 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    4/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    4

    Proč

     v trubce plyny proudí rychleji než kapaliny?Proč je jednodušší vyrobit ventilátor než čerpadlo?

    Proč vodoměrka může chodit po hladině a neutopí se ?

    Proč se špína bojí mýdla ?

    Proč med teče pomaleji než voda ?

    Proč rozlitý iron zmizne rychleji než rozlitá voda ? ? ? ? ? ? ? ? ? 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    5/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    5

    2.1 SkupenstvíSkupenství• označení formy existence látky z hlediska vnitř ního uspoř ádání hmoty

    Skupenství tuhé (s) • vzdálenost mezi částicemi malá • částice vytvář ejí struktury, ve kterých jsou pevně fixovány ⇒ pohyblivost částic je malá 

    ⇒ pohyb je omezen na oscilace kolem rovnovážných poloh 

    vlastnosti• tuhá tělesa zachovávají stály tvar a objem 

    • tepelná roztažnost ( V/ T)p ∝ zanedbatelná • objemová stlačitelnost ( V/ p)T ∝ zanedbatelná • hustota - vysoká 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    6/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    6

    Skupenství kapalné (l) • vzdálenost mezi částicemi malá • částice již nejsou pevně fixovány ⇒

     př itažlivé síly částice udržují ve stálém styku ⇒ vzájemná pohyb je umožněn – molekuly jsounavzájem pošinutelné 

    vlastnosti• kapalné látky zachovávají prakticky stálý objem 

    • př izp

    ůsobují se tvaru nádoby, tvo

    ř í hladinu • tepelná roztažnost ( V/ T)p ∝ malá 

    • objemová stlačitelnost ( V/ p)T ∝ malá • hustota - relativně vysoká 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    7/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    7

    Skupenství plynné (g)

    • vzdálenost mezi částicemi je velká • pohyblivost částic je velká • pohyb částic je chaotický, neuspoř ádaný 

    vlastnosti• plyny zaujímají zcela tvar nádoby, ve které se nacházejí, tzn., že částice vyplňují celýprostor, který mají k dispozici

    • tepelná roztažnost ( V/ T)p ∝ velká 

    • objemová stlačitelnost ( V/ p)T ∝ velká • hustota - nízká 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    8/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    8

    Plazma• plně disociovaná atomární plyn tvoř ený pouze ionty a elektrony • př echod plynu na plazmu je postupný 

    5 000°C ∝ 1 %

    1 000 000 °C ∝ 100 %

    Plazmová ř ezací zař ízení Kjellberg  Sluneční korona

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    9/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    9

    2.2 Skupenské př eměny

    Př íklad:Mě jme látku, např íklad vodu, ve formě  kostky ledu a sledujme její chování afyzikální vlastnosti v závislosti na teple dodaném této látkové soustavě 

    Kostka ledu

    Tání

    Tuhnutí

    Teplota

    Dodané teplo

    Teplota táníTeplota tuhnutí

    Skupenské teplo tání 

    Skupenské teplo tuhnutí 

      Krystalická struktura →  tepelný pohybnepatrný → s rostoucím dodaným teplem rosteteplota →  zvyšuje se tepelný pohyb částic –tepelný pohyb se projevuje vibracemi částic

    kolem poloh v mř ížce ledu →  jsou – li vibracetak velké, že částice př ekonají vazebné sílyv mř ížce, dochází k postupnému uvolňováníze struktury → kostka ledu taje a mění sev kapalinu

    Př i tání se dodávané teplo spotř ebovává napostupné uvolňování dalších molekul z mř ížkydo kapaliny ⇒ proto teplota zůstává konstantnítak dlouho, dokud se veškerá tuhá látkanepř emění v kapalinu

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    10/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    10

    Kapalina

    • př itažlivé síly stačí udržet molekuly kapaliny pohromadě, takže Vkapalina ∝ V tuhá látka ρ20°C(H2O-l) ∝ 998 kg/m

    3 ρ (H2O-s) ∝ 918 kg/m3 

    Tání

    Tuhnutí

    Var

    Kondenzace

    Teplota

    Dodané teplo

    Teplota varu

    Teplota kondenzace

    Teplota tání

    Teplota tuhnutí

    Skupenské teplo tání 

    Skupenské teplo tuhnutí 

    Skupenské teplo vypařování 

    Skupenské teplo kondenzace  

    dodávání tepla →  r ůst teploty → zvyšuje se tepelný pohyb → až do

    ur čité teploty (varu) → př i této teplotě energie tepelného pohybu tak velká,že dojde k př ekonání př itažlivýchinterakčních sil mezi molekulami → molekuly vystupují z kapaliny do

    okolního prostoru a vytvář ejí plyn –ř íkáme, že látka vř e

    př i varu se dodávané teplospotř ebovává na př echod molekulz kapaliny do plynu ⇒ proto teplotazůstává konstantní tak dlouho, dokudse veškerá kapalina nepř eměnív plyn – dalším dodáním tepla seteplota plynu začne zvyšovat

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    11/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    11

    Plyn (g)

    • plyn (v našem př ípadě vodní páry H2O (g)) vyplňuje celý prostor , který má k dispozici•  jednotlivé částice se již prakticky neovlivňují 

    (ρ20°C(H2O-l) ∝ 998 kg/m3 ρ (H2O-g) ∝ 0,5 kg/m

    3 ; změna zhruba 1 000 x)

    Tání

    Tuhnutí

    Var

    Kondenzace

    Teplota

    Dodané teplo

    Teplota varuTeplota kondenzace

    Teplota táníTeplota tuhnutí

    Skupenské teplo tání 

    Skupenské teplo tuhnutí 

    Skupenské teplo vypařování 

    Skupenské teplo kondenzace

     Dodávání tepla → r ůst teploty → dalšídodávání tepla → štěpení (disociace)molekul na atomy → molekulární plyn

    př echází na plyn atomární → dalšízvyšování teploty → disociace atomů 

    na ionty a volné elektrony – vznikplazmy

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    12/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    12

    Vidíme, že:

    Míra uspoř ádanosti částic = př íčina rozdílného chování látky

    Teplota • snižování teploty podporuje uplatnění př itažlivých sil mezi, které se takmohou shlukovat až vytvář í pravidelné uspoř ádání

    • zvyšování teploty naopak uspoř ádanost ruší

    Tlak • zvyšování tlaku podporuje uplatnění př itažlivých sil

     možnost výskytu látky v daném skupenství je dána tlakem a teplotou

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    13/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    13

    Voda p = 101 kPa (s) (l) (g) 

    • hustota ρ (kg/m3) 917 (0°C)  998 (20°C)  0,590 (100°C) 

    • objem v (m3/kg) 0,001 0905 0,001 002 1,694 915

    • dynamická viskosita µ (mPa.s) - 1 0,012 095

    • tepelná vodivostλ (W/m.K)

    2,21 (-8°C)  0,604 (20°C)  0,0248 (100°C) • měrná tepelná kapacita cp (kJ/kg.K) 2,06 (°C)  4,18 (20°C)  2,02 (100°C) 

    • teplota fáz. př eměny tfázpř  (°C) -5 (401 Pa) 0 (101 kPa)  100 (101 kPa)  

    • teplo fáz. př eměny ∆hfázpř   2 836 (s-g) 244 (s-l)  2 257 (l-g) 

    ! ! ! • Teplota a tlak př i kterých dochází k př echodu

    látky z jednoho skupenství do druhého jsouvzájemně vázány.

    • Závislost je individuální pro každou látku.

    Kritický bodTK = 647,3 K

     p K = 22,06 MPa

    Standardníatmosférický tlak  p = 101,325 kPa

    Trojný bod

    0,00 oC273,15 K 

    0,01 oC273,16 K 

    100,00 oC373,15 K 

    t [oC] 

    T [K ] 

    p

    [Pa]

    Tlak trojného bodu vody

    610,6 Pa

    Led Voda Vodní pára

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    14/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    14

    Technické důsledky rozdílného chování látek1. Tlaková ztráta př i proudění 

    • Darcy – Weissbachovarovnice 2

    2u

    l e z  ⋅⋅= λ    kde λ = f (Re) 

    • tlaková ztráta z  z    e p ⋅=∆   ρ   

    Turbulentní prouděníHydraulicky zcela drsné potrubí ⇒ λ = konst.

    Ocelové trubky mírně korodované d = 0,1 m, l = 1 m, k* = 0,002 ⇒ λ = 0,025 Tlaková ztráta na 1 m délky (Pa) 

    Rychlost proudění Vzduch Vodau = 15 m/s 34 28 125

    Rychlost proudění (m/s)Tlaková ztráta na 1 m délky Vzduch Voda

    p = 150 Pa 31,6 1,1

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    15/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    15

    2. Oběžná kola – ventilátor vs. čerpadlo

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    16/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    16

    3. Skladování a doprava zkapalněného plynu 

    zkapalněnýzemní plyn:

    600 x menší

    objem nežve formě 

    plynu 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    17/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    17

    2.3 Skupenství plynnéObjem plynu závisí: druh plynu, množství plynu, vně jší podmínky: T, p Ze zkušenosti známo: objem plynu větší n ↑  Př . nafukování balónku

    T ↑  Př . pneumatika v létě p ↓  Př . hustilka

    ⇒ stavové veličiny – n, p, T, V 

    Stavové veličiny možno ur čit: • experimentálně 

    • výpočtem – ze stavových rovnicStavová rovnice (SR) • Vyjadř uje vazbu mezi jednotlivými stavovými veličinami p, T, V, n• Existuje celá ř ada stavových rovnic (SRIP, van der Waalsova, Redlich – Kwongova, …)

    Konkrétní SR pro daný plyn či plynnou směs je tř eba vhodně volitdle doporučení nebo zkušeností 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    18/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    18

    2.3.1 Ideální plyn

    Ideální plyn • není substance• fyzikální model, pro který jsou postulovány vlastnosti 

    Vlastnosti

    1. PLYN = soustava hmotných bodů 

    Částice plynu mají ur čitou hmotnost, avšak jejich vlastní objem je zanedbatelný proti celk. objemu soustavy.

    2. ZANEDBATELNÉ SÍLY Kohez + Elstat

    Vzhledem k velkým vzdálenostem mezi částicemi plynu lze zanedbat př itažlivé mezimolekulové (kohezní) sílya elektrostatické síly.

    3. CHAOTICKÝ POHYB ČÁSTIC

    Částice se pohybují chaoticky (žádný směr není preferován) a rovnoměrně vyplňují prostor.Pozn. Pokud by byl ně jaký směr preferován, znamenalo by to, že v daném směru by byl větší tlak než ve směru jiném – nic

    takového nebylo zjištěno (Pascalův zákon)

      IP = velké množství dokonale pružných bodových částic 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    19/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    19

    Ideální plyn - shrnutí A. Jednosložková soustava

    1. Stavová rovnice T  RnV  p ⋅⋅=⋅  

    B. Vícesložková soustava – směsi

    1. Stavová rovnice sm sm sm sm   T  RnV  p ⋅⋅=⋅  

     sm

     sm sm

     sm

     sm sm

    T  R

     M  p

    m

    ⋅⋅

    == ρ   

    ∑ ⋅= i ini sm   M c M   

    2. Daltonův zákon ∑=i

    i sm   p p   kde sm

     smii

    T  Rn p

    ⋅⋅=   a též  sm

    n

    ii   pc p ⋅=  

    3. Amagatův zákon ∑=i

    i sm   V V    kde sm

     smii

     p

    T  RnV 

    ⋅⋅=   a též   sm

    nii   V cV  ⋅=  

    4. Vztah mezi koncentracemi vi

    n

    i   cc =  

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    20/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    20

    Stavová rovnice ideálního plynu (SRIP)

    • lze odvodit na základě kinetické teorie ideálního plynu 

    T  RnV  p ⋅⋅=⋅ 

    tlak p Pa kPa

    objem V m3  m3 

    teplota T K Klátkové množství n mol kmol

    univerzálníplynová konstanta

    R J/mol.K

    8,314

    kJ/kmol.K

    8,314

    R = 8,314 J/mol.K = 8,314 kJ/kmol.K 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    21/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    21

    Stavová rovnice ideálního plynu (SRIP) – jiné tvary

    SRIP pro n kmol T  RnV  p ⋅⋅=⋅  V – objem (m3)

    SRIP pro 1 kmoln = 1 kmol T  Rv p ⋅=⋅  

    v – molový objem (m3/kmol)

    Jiné tvary SRIP T  RnV  p ⋅⋅=⋅  +

    n

    m M  =  

    ⇒ T  R

     M  p

    m

    ⋅== ρ 

     

    Definice ideálního plynu

    Každý takový plyn, který se ř ídí stavovou rovnicí ideálního plynu.

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    22/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    22

    Př íklad

    Jaký objem má 1 kg metanu př i

    teplotě  20 °C a tlaku 103 kPa ? Dáleur čete molový objem a hustotumetanu CH4 př i stejných podmínkách.Př i výpočtu př edpokládejte ideální

    chování metanu.Molová hmotnost metanu MCH4 = 16 kg/kmol 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    23/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    23

    Stavová rovnice ideálního plynu (SRIP) – dílčí zákonitosti 

    SRIP pro n kmol T  RnV  p ⋅⋅=⋅   V – objem (m3)

    Dílčí zákonitosti: uzavř ená soustava n = konst.

    • Boyle – Marriotův zákon (izotermický dě j T = konst.) p.V = konst.

    • Gay – Lussacův zákon (izobarický dě j p = konst.) V / T = konst.

    • Charlesův zákon (izochorický dě j V = konst.) p / T = konst. 

    • Avogadr ův zákon IP za stejných podmínek (p,V,T):vždy stejný počet částic. 

    T = 273,15 K, p = 101,325 kPa1 kmol IP má V = 22,4 m3 

    • Daltonův zákon pi = ni.R.T / Vsm  psm = pi 

    • Amagatův zákon  Vi = ni.R.T / psm  Vsm = Vi 

    Některé zákonitosti byly získány již dř íve, experimentálně. 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    24/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    24

    1. Boyle – Marriotův zákon  izotermický dě j T = konst. 

    T  RnV  p ⋅⋅=⋅  

    .konst V  p =⋅  

    konst 

     p

    .

    =  

    p

    [kPa]

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    700

    800

    0 10 20 30 40

    V [m3]

    T [K]

    100200

    300400500600

    (n = 1 kmol)

     Př i konstantní teplotě je

    součin tlaku a objemu daného množství plynu konstantní. 

    Reálné plyny • zákon vyhovuje pro běžné tlaky a teploty• př i vysokém tlaku reálné plyny méně stlačitelné.

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    25/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    25

    2. Gay – Lussacův zákon  izobarický dě j p = konst. 

    T  RnV  p ⋅⋅=⋅  ⇒

      .konst T 

    V =  

      T konst V  ⋅= .  

    Př i konstantním tlaku jepoměr V/T = konst. resp. objem daného množství plynu je př ímo úměrný absolutní teplotě. 

    Jiná forma zákona )1(0   t V V  ⋅+⋅=   γ   

    V objem plynu př i teplotě t

    V0  objem plynu př i teplotě t = 0°C

    γ  součinitel izobarické objemové roztažnosti (1/K)

    t teplota (°C)

    Ideální plyn 115,273

    1 −=   K γ    stejný u všech plynů vykazujících ideální chování 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    26/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    26

    „Př irozený“ způsob zavedení absolutní teploty T (K)

    1. )1(0   t V V  ⋅+⋅=   γ    + 1

    15,2731 −=   K γ   

        

       +⋅=⋅+⋅=

    15,27315,273)

    15,27311( 00

    t V t V V   

    2. Pr ůsečík izotermy s teplotní osou 0=V    ⇒ C t  °−=−= 15,2731

    γ  

    3. Izobary r ůzných objemů 

    • Izobary r ůzných objemů protínají teplotní osu vždy vestejném bodě 

    • Vzhledem k tomu, že objem plynu nemůže být

    záporný, lze tento teplotní pr ůsečík považovat zaabsolutní teplotní nulu a definovat absolutní teplotu T: 

    t T  += 15,273  ⇒

     0

    0T 

    T V V  ⋅=  

    100 200 300 400 500 6000

    10

    20

    30

    0

    V

    [m3]

    T [K]

    600

    800

    400

    200p

    [kPa]

    100 200 300

    t [oC]

    0-100-200-273,15

    273,15

    n = 1 kmol

     

    !!!!!!!!!!!! Způsob odvození čistě matematický, fyzikálně nedokazatelný !!!!!!!!!!!Proč ? • objem částic plynu není nenulový

    • skutečné plyny př ed dosažením 0 K zkapalní. 

    ⇒  Absolutní teplota se definuje na základě účinnosti vratného Carnotova cyklu. 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    27/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    27

    3. Charlesův zákon  izochorický dě j V = konst. 

    T  RnV  p ⋅⋅=⋅  ⇒  .konst 

     p=  

    ⇒ T konst  p ⋅= .  

    Př i konstantním objemu jepoměr p/T = konst. resp. tlak daného množství plynu je př ímo úměrný absolutní teplotě. 

    Jiná forma zákona )1(0   t  p p ⋅+⋅=   β   

    p tlak plynu př i teplotě t

    p0  tlak plynu př i teplotě t = 0°C

    β  součinitel izochorické teplotní rozpínavosti (1/K)

    t teplota (°C)

    500

    400

    300

    200

    100

    0

    100 200 500 600300 4000

    p

    [kPa]

    T [K]

    20

    30

    40

    V [m3]

    10n = 1 kmol

     

    Ideální plyn 115,273

    1 −=   K  β    stejný u všech plynů vykazujících ideální chování 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    28/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    28

    4. Avogadr ův zákon

    Ideální plyn za stejných podmínek (tlak, objem, teplota)obsahuje vždy stejný počet částic. 

    Normální podmínky T = 273,15 K, p = 101,325 kPa

    má 1 kmol IP objem 22,41 m3 

    resp. 1 mol IP objem 22,41 l

    Jak se na to př ijde ?T  RnV  p ⋅⋅=⋅  ⇒

    341,22325,101

    15,273314,81   m

     p

    T  RnV  =

    ⋅⋅=

    ⋅⋅=  

    Nm3 – normální metr krychlovýobjem plynu za normálních podmínek, tj. objem plynu př i teplotě 0°C a tlaku 101,325 kPa.

    Sfc – standardní kubická stopaobjem plynu př i tlaku 101,325 kPa a teplotě 70°F (21,11°C) 

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    29/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    29

    5. Daltonův zákon aditivity parciálních tlaků Úvaha: • tlak plynu = výsledek nárazů pohybujících se částic

    • pokud směs plynů = výsledek nárazů částic všech př ítomných plynů 

    John DaltonP ř edpoklad: 

    Ve směsi ideálních plynů  mezi částicemi plynu nepůsobí žádné mezimolekulové síly, takžemolekuly jsou př i svém chaotickém pohybu na sobě navzájem zcela nezávislé 

    p = pA + pB + pC

    Samotný plyn A Samotný plyn B Samotný plyn CSměs plynů A, B a C

    Celkový tlak směsi

    plynů A, B a C= Parciální tlak 

    složk y A+ +Parciální tlak 

    složk y B

    Parciální tlak 

    složky C

     ⇒

     parciální tlak lze chápat jako tlakový př íspěvek složky k celkovému tlaku směsi⇒ celkový tlak směsi dán součtem parciálních tlaků jednotlivých složek

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    30/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    30

    Parciální tlak pi 

    = tlak, který by dané látkové množství ni mělo př i teplotě jakomá směs Tsm, v objemu jako má směs Vsm, kdyby v soustavě byla složka sama   sm

     smii

    T  Rn p ⋅⋅=

     

    Úpravami:

    ∑∑∑ ⋅⋅

    =

    ⋅==   i sm sm

     sm

     sm

    ii sm   nV 

    T  R

    T  R

    n p p  ⇒

    n

    ii

    i

     sm

    i

    cn

    n

     p

     p

    == ∑  ⇒

     parciální tlak složky je úměrný  jejímu molárnímu zlomku v plynné směsi

     sm

    n

    ii   pc p ⋅=  p = pA  + pB + pC

    Samotný plyn A Samotný plyn B Samotný plyn CSměs plynů A, B a C

    Celkový tlak směsi

    lynů A, B a C= Parciální tlak

    složky A+ +Parciální tlak 

    složky B

    Parciální tlak 

    složky C

     

    ⇒ celkový tlak směsi dán součtemparciálních tlaků jednotlivých složek

    ∑=++=   i sm   p p p p ......21  

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    31/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    31

    Význam parciálního tlaku pi

    1. Rozpustnost plynů v kapalinách 2. Rychlost reakcí v plynech pi = Hi.xi – Henryho zákon  r = k.pA

    α.pBβ 

    3. Fázové rovnováhy 4. Rosný bod pi = xi.pi´´ = yi.psm  – Raoult-Daltonův zákon  pH2O = p´´H2O 

    xA, yA [1] 

    xB, yB [1] 

    t

    [

    oC]

     

    tVB 

    Čistásložka B

    Čistásložka A

    I

    xAIxBI

    yAII yBII 

    Oblast

    kapalné

    fáze

    Oblastkapalné

    a plynné fáze 

    Oblast

    lynné fáze

    tvolená k řivka l  – závislostteploty kapaliny nasložení kapalné fáze

     g

    k řivka g  – závislostteploty par na složení plynné fáze

    l

    II

    tVA 

    tVA, tVB - teploty varučistých složek A, B

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    32/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    32

    Význam parciálního tlaku pi

    1. Rozpustnost plynů v kapalinách

    pi = Hi.xi – Henryho zákon 

    absorpční kolona aktivační nádrže v ČOV aerační elementy

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    33/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    33

    Význam parciálního tlaku pi

    2. Rychlost reakcí v plynech r = k.pA

    α.pBβ 

    plynový kotel parní reforming

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    34/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    34

    Význam parciálního tlaku pi 

    3. Fázové rovnováhypi = xi.pi´´ = yi.psm  – Raoult-Daltonův zákon 

    xA, yA [1] 

    xB, yB [1] 

    t

    [

    oC]

     

    tVB 

    Čistásložka B

    Čistásložka A

    I

    xAIxBI

    yAII yBII 

    Oblastkapalné

    fáze

    Oblastkapalné

    a plynné fáze 

    Oblastlynné fáze

    tvolená k řivka l  – závislostteploty kapaliny nasložení kapalné fáze

    k řivka g  – závislostteploty par na složení plynné fáze

    l

    II

    tVA 

    tVA, tVB - teploty varučistých složek A, B

    fázový diagram destilace ropy destilace lihovin

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    35/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    35

    5. Amagatův zákon aditivity parciálních objemů A. Amagato: Mě jme směs ideálních plynů o teplotě Tsm, tlaku psm a objemu Vsm:

    V = VA + VB + VC

    Samotný plyn A

    (VA = 13/35 V)Samotný plyn B

    (VB = 12/35 V) Samotný plyn C

    (VC = 10/35 V) Směs plynů A, B a C

    Celkový objem směsi

    plynů A, B a C  =Parciální objem

    složky A+ +Parciální objem

    složky B

    Parciální objem

    složky C

    VA

    VC

    VB

    VC

    VA

    VB

     ⇒

      parciální objem lze chápat jako objemový př íspěvek složkydo celkového objemu směsi

     celkový objem směsi dán součtem parciálních objemů jednotlivých složek

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    36/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    36

    Parciální objem složky Vi 

    = objem, který by dané látkové množství ni  mělo v prostoru př iteplotě  jako má směs Tsm  a př i tlaku jako má směs psm, kdybyv soustavě byla složka sama   sm

     smii

     p

    T  RnV  ⋅⋅=

     

    Úpravami: ∑∑∑ ⋅⋅

    =

    ⋅==   i sm sm

     sm

     sm

    ii sm   n p

    T  R

     p

    T  R

    nV V   ⇒

    ni

    i

    i

     sm

    i

    cn

    n

    ==∑  ⇒

     parciální objem složky je úměrný jejímu molárnímu zlomku v plynné směsi 

     sm

    n

    ii   V cV  ⋅=  V = VA  + VB + VC

    Samotný plyn A(VA = 13/35 V)

    Samotný plyn B

    (VB = 12/35 V) Samotný plyn C

    (VC = 10/35 V) Směs plynů A, B a C

    Celkový objem směsi

    plynů A, B a C  =Parciální objem

    složky A+ +Parciální objem

    složky B

    Parciální objem

    složky C

    VA

    VC

    VB 

    VC 

    VA

    VB

     

     celkový objem směsi dán součtemparciálních objemů jednotlivých složek

    ∑=++=   i sm   V V V V  ......21  

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    37/39

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    38/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    38

    Molová hmotnost směsi Msm 

    • zadáno molové složení

    ∑∑∑∑ ⋅=⋅

    =⋅

    ===   ini

     sm

    ii

     sm

    ii

     sm

    i

     sm

     sm sm   M c

    n

    n M 

    n

    n M 

    n

    m

    n

    m M   

    ∑ ⋅=   ini sm   M c M   

    • zadáno hmotnostní složení

    ∑∑∑∑ ⋅=

    ⋅====

    i

    mi

    i sm

    i

    i

    i

     sm

    i

     sm

     sm

     sm sm

     M c

     M m

    m

     M 

    m

    m

    n

    m

    n

    m M 

    11

    11

     

    ∑ ⋅=i

    mi

     sm   M c

     M 

    11 

    Příklad

  • 8/15/2019 CH Predn02 Sch1

    39/39

    Chemie2. Stavové chování

    Ústav procesní a zpracovatelské technikyFS ČVUT v Praze

    39

    Př íklad

    Spaliny jsou odváděny spalinovodem do komína.

    a) Ur čete pr ůměr spalinovodu pro doporučenou rychlostspalin vspaliny = 15 m/s (př edpokládejte kruhové potrubí).Hmotnostní pr ůtok spalin 0,25 kg/s, teplota spalin 300°C,tlak spalin 105 kPa.

    b) Ur čete statický tah komína o výšce 10 m.Teplota spalin 300°C. Teplota okolního vzduchu 20 °C.Barometrický tlak 100 kPa. 

    Spaliny: složení: 9,5 % obj. CO2 , 19 % obj. H2O, 71,5 % obj. N2 

    Vzduch: složení 21 % obj. O2, 79 % N2.

    Molové hmotnosti:MCO2 = 44,01 kg/kmol, MH2O = 18,02 kg/kmol,MN2 = 28,02 kg/kmol, MO2 = 32 kg/kmol

    Radek Šulc @ 2008