II. Stavové chování látkových soustav
Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
1
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 materiálovou náplní ohraničená…. Rozdělení látek podle vnitřního uspořádání hmoty • Tuhé (s) • Kapalné (l) • Plynné (g) • Plazma Cíle: • studium chování a vlastností látek v jednotlivých skupenstvích • stavové chování přechodu z jednoho skupenství do druhého – v kapitole 4.
Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
2
II. Stavové chování látkových soustav 2.1 Skupenství 2.2 Skupenské přeměny 2.3 Skupenství plynné 2.3.1 Ideální plyn 2.3.2 Reálné plyny
2.4 Skupenství kapalné 2.5 Skupenství tuhé
Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
3
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 ?
???????? Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
4
2.1 Skupenství Skupenství • označení formy existence látky z hlediska vnitřního uspořádání hmoty
Skupenství tuhé (s) • vzdálenost mezi částicemi malá • částice vytvářejí 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
Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
5
Skupenství kapalné (l) • vzdálenost mezi částicemi malá • částice již nejsou pevně fixovány ⇒ přitažlivé síly částice udržují ve stálém styku ⇒ vzájemná pohyb je umožněn – molekuly jsou navzájem pošinutelné
vlastnosti • kapalné látky zachovávají prakticky stálý objem • přizpůsobují se tvaru nádoby, tvoří hladinu • tepelná roztažnost (∆V/∆T)p ∝ malá • objemová stlačitelnost (∆V/∆p)T ∝ malá • hustota - relativně vysoká
Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
6
Skupenství plynné (g) • vzdálenost mezi částicemi je velká • pohyblivost částic je velká • pohyb částic je chaotický, neuspořádaný vlastnosti • plyny zaujímají zcela tvar nádoby, ve které se nacházejí, tzn., že částice vyplňují celý prostor, který mají k dispozici • tepelná roztažnost (∆V/∆T)p ∝ velká • objemová stlačitelnost (∆V/∆p)T ∝ velká • hustota - nízká
Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
7
Plazma • plně disociovaná atomární plyn tvořený pouze ionty a elektrony • přechod plynu na plazmu je postupný 5 000°C 1 000 000 °C
∝1% ∝ 100 %
Plazmová řezací zařízení Kjellberg Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
Sluneční korona 8
2.2 Skupenské přeměny Příklad: Mějme látku, například vodu, ve formě kostky ledu a sledujme její chování a fyzikální vlastnosti v závislosti na teple dodaném této látkové soustavě Kostka ledu Krystalická struktura → tepelný pohyb nepatrný → s rostoucím dodaným teplem roste teplota → zvyšuje se tepelný pohyb částic – tepelný pohyb se projevuje vibracemi částic kolem poloh v mřížce ledu → jsou – li vibrace tak velké, že částice překonají vazebné síly v mřížce, dochází k postupnému uvolňování ze struktury → kostka ledu taje a mění se v kapalinu
Teplota
Teplota tání Teplota tuhnutí Tání
Tuhnutí
Skupenské teplo tání Dodané teplo Skupenské teplo tuhnutí
Chemie 2. Stavové chování
Při tání se dodávané teplo spotřebovává na postupné uvolňování dalších molekul z mřížky do kapaliny ⇒ proto teplota zůstává konstantní tak dlouho, dokud se veškerá tuhá látka nepřemění v kapalinu
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
9
Kapalina • přitažlivé síly stačí udržet molekuly kapaliny pohromadě, takže Vkapalina ∝ V tuhá látka ρ20°C(H2O-l) ∝ 998 kg/m3 ρ (H2O-s) ∝ 918 kg/m3
dodávání tepla → růst teploty → zvyšuje se tepelný pohyb → až do určité teploty (varu) → při této teplotě energie tepelného pohybu tak velká, že dojde k překonání přitažlivých interakčních sil mezi molekulami → molekuly vystupují z kapaliny do okolního prostoru a vytvářejí plyn – říkáme, že látka vře
Teplota
Teplota varu Teplota kondenzace
Var Kondenzace
Teplota tání Teplota tuhnutí Tání
Tuhnutí
Skupenské teplo tání
Skupenské teplo vypařování Dodané teplo
Skupenské teplo tuhnutí
Chemie 2. Stavové chování
Skupenské teplo kondenzace
při varu se dodávané teplo spotřebovává na přechod molekul z kapaliny do plynu ⇒ proto teplota zůstává konstantní tak dlouho, dokud se veškerá kapalina nepřemění v plyn – dalším dodáním tepla se teplota plynu začne zvyšovat
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
10
Plyn (g) • plyn (v našem případě 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/m3 ; změna zhruba 1 000 x)
Teplota
Teplota varu Teplota kondenzace
Dodávání tepla → růst teploty → další dodávání tepla → štěpení (disociace) molekul na atomy → molekulární plyn přechází na plyn atomární → další zvyšování teploty → disociace atomů na ionty a volné elektrony – vznik plazmy
Var
Kondenzace
Teplota tání Teplota tuhnutí Tání
Tuhnutí
Skupenské teplo tání
Skupenské teplo vypařování Dodané teplo
Skupenské teplo tuhnutí
Chemie 2. Stavové chování
Skupenské teplo kondenzace
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
11
Vidíme, že: Míra uspořádanosti částic = příčina rozdílného chování látky
Teplota • snižování teploty podporuje uplatnění přitažlivých sil mezi, které se tak mohou shlukovat až vytváří pravidelné uspořádání • zvyšování teploty naopak uspořádanost ruší Tlak
• zvyšování tlaku podporuje uplatnění přitažlivých sil
⇒ možnost výskytu látky v daném skupenství je dána tlakem a teplotou Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
12
Voda p = 101 kPa • hustota
ρ (kg/m3)
(s) 917 (0°C)
• objem
v (m3/kg)
0,001 0905
• dynamická viskosita
µ (mPa.s)
-
• tepelná vodivost
λ (W/m.K)
2,21 (-8°C)
• měrná tepelná kapacita cp (kJ/kg.K) tfázpř (°C)
-5
• teplo fáz. přeměny
∆hfázpř
2 836 (s-g)
(401 Pa)
(g) 0,590 (100°C)
0,001 002
1,694 915
1 0,012 095 0,604 (20°C) 0,0248 (100°C) 4,18 (20°C)
2,06 (°C)
• teplota fáz. přeměny
(l) 998 (20°C)
2,02 (100°C)
0 (101 kPa)
100 (101 kPa)
244 (s-l)
2 257 (l-g) Kritický bod TK = 647,3 K p K = 22,06 MPa
p [Pa]
!!!
• Teplota a tlak při kterých dochází k přechodu látky z jednoho skupenství do druhého jsou vzájemně vázány.
Standardní atmosférický tlak p = 101,325 kPa Led
Voda
Vodní pára
• Závislost je individuální pro každou látku. Tlak trojného bodu vody 610,6 Pa
Trojný bod
0,00 oC 273,15 K
Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
0,01 oC 273,16 K
t [ oC] T [K]
100,00 oC 373,15 K
13
Technické důsledky rozdílného chování látek 1. Tlaková ztráta při proudění • Darcy – Weissbachova rovnice
l u2 ez = λ ⋅ ⋅ d 2
• tlaková ztráta
∆p z = ρ ⋅ e z
kde λ = f (Re)
Turbulentní proudění Hydraulicky 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
u = 15 m/s Tlaková ztráta na 1 m délky
∆p = 150 Pa Chemie 2. Stavové chování
Vzduch
Voda
34
28 125
Rychlost proudění (m/s) Vzduch Voda
31,6 Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
1,1 14
2. Oběžná kola – ventilátor vs. čerpadlo
Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
15
3. Skladování a doprava zkapalněného plynu zkapalněný zemní plyn: 600 x menší objem než ve formě plynu
Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
16
2.3 Skupenství plynné Objem plynu závisí: druh plynu, množství plynu, vnější podmínky: T, p Ze zkušenosti známo:
objem plynu větší
n↑ T↑ p↓
Př. nafukování balónku Př. pneumatika v létě Př. hustilka
⇒ stavové veličiny – n, p, T, V
Stavové veličiny možno určit:
• experimentálně • výpočtem – ze stavových rovnic
Stavová rovnice (SR) • Vyjadřuje vazbu mezi jednotlivými stavovými veličinami p, T, V, n • Existuje celá řada stavových rovnic (SRIP, van der Waalsova, Redlich – Kwongova, …)
Konkrétní SR pro daný plyn či plynnou směs je třeba vhodně volit dle doporučení nebo zkušeností Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
17
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 určitou 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 přitažlivé mezimolekulové (kohezní) síly a elektrostatické síly.
3. CHAOTICKÝ POHYB ČÁSTIC Částice se pohybují chaoticky (žádný směr není preferován) a rovnoměrně vyplňují prostor. Pozn.
⇒
Pokud by byl nějaký 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 Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
18
Ideální plyn - shrnutí A. Jednosložková soustava 1. Stavová rovnice p ⋅V = n ⋅ R ⋅ T B. Vícesložková soustava – směsi 1. Stavová rovnice p sm ⋅ Vsm = n sm ⋅ R ⋅ Tsm
ρ sm =
msm psm ⋅ M sm = Vsm R ⋅ Tsm
M sm = ∑ cin ⋅ M i i
2. Daltonův zákon
psm = ∑ pi
kde
pi = ni ⋅
Vsm = ∑Vi
kde
Vi = ni ⋅
i
3. Amagatův zákon
i
4. Vztah mezi koncentracemi Chemie 2. Stavové chování
R ⋅ Tsm Vsm
R ⋅ Tsm p sm
a též
pi = cin ⋅ psm
a též
Vi = cin ⋅ Vsm
cin = civ
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
19
Stavová rovnice ideálního plynu (SRIP) • lze odvodit na základě kinetické teorie ideálního plynu
p ⋅V = n ⋅ R ⋅ T tlak objem teplota
p V T
Pa m3 K
kPa m3 K
látkové množství
n
mol
kmol
univerzální plynová konstanta
R
J/mol.K
kJ/kmol.K
8,314
8,314
R = 8,314 J/mol.K = 8,314 kJ/kmol.K Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
20
Stavová rovnice ideálního plynu (SRIP) – jiné tvary SRIP pro n kmol
p ⋅V = n ⋅ R ⋅ T
SRIP pro 1 kmol
p ⋅ v = R ⋅T
n = 1 kmol
Jiné tvary SRIP
V – objem (m3) v – molový objem (m3/kmol)
p ⋅V = n ⋅ R ⋅ T +
M =
m n
⇒
m p⋅M ρ= = V R ⋅T
Definice ideálního plynu Každý takový plyn, který se řídí stavovou rovnicí ideálního plynu.
Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
21
Příklad Jaký objem má 1 kg metanu při teplotě 20 °C a tlaku 103 kPa ? Dále určete molový objem a hustotu metanu CH4 při stejných podmínkách. Při výpočtu předpokládejte ideální chování metanu. Molová hmotnost metanu MCH4 = 16 kg/kmol
Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
22
Stavová rovnice ideálního plynu (SRIP) – dílčí zákonitosti SRIP pro n kmol
p ⋅V = n ⋅ R ⋅ T
V – objem (m3)
Dílčí zákonitosti: uzavřená soustava n = konst. • Boyle – Marriotův zákon
(izotermický děj T = konst.)
p.V = konst.
• Gay – Lussacův zákon
(izobarický děj p = konst.)
V / T = konst.
• Charlesův zákon
(izochorický děj V = konst.)
p / T = konst.
• Avogadrův zákon
IP za stejných podmínek (p,V,T): vždy stejný počet částic.
T = 273,15 K, p = 101,325 kPa 1 kmol IP má V = 22,4 m3
• Daltonův zákon
pi = ni.R.T / Vsm
psm = Σ pi
• Amagatův zákon
Vi = ni.R.T / psm
Vsm = Σ Vi
Některé zákonitosti byly získány již dříve, experimentálně. Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
23
1. Boyle – Marriotův zákon p [kPa]
p ⋅V = n ⋅ R ⋅ T
izotermický děj T = konst. 800 700 (n = 1 kmol)
600
T [K]
500
p ⋅ V = konst . p=
konst. V
600 500 400 300 200 100
400 300 200 100 0 0
10
20
30
40 V [m3]
Při konstantní teplotě je součin tlaku a objemu daného množství plynu konstantní. Reálné plyny • zákon vyhovuje pro běžné tlaky a teploty • při vysokém tlaku reálné plyny méně stlačitelné. Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
24
2. Gay – Lussacův zákon p ⋅V = n ⋅ R ⋅ T
izobarický děj p = konst. V = konst . T
⇒
⇒
V = konst . ⋅ T
Při konstantním tlaku je poměr V/T = konst. resp. objem daného množství plynu je přímo úměrný absolutní teplotě.
V = V0 ⋅ (1 + γ ⋅ t )
Jiná forma zákona V objem plynu při teplotě t
V0 objem plynu při teplotě t = 0°C γ
součinitel izobarické objemové roztažnosti (1/K)
t
teplota (°C)
Ideální plyn
Chemie 2. Stavové chování
γ =
1 K −1 273,15
stejný u všech plynů vykazujících ideální chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
25
„Přirozený“ způsob zavedení absolutní teploty T (K) 1.
V = V0 ⋅ (1 + γ ⋅ t )
γ =
+
1 K −1 273,15
2. Průsečík izotermy s teplotní osou
⇒
V = V0 ⋅ (1 +
V =0
⇒
1 273,15 + t ⋅ t ) = V0 ⋅ 273,15 273,15
t=−
3. Izobary různých objemů Izobary různých objemů protínají teplotní osu vždy ve stejném bodě
•
Vzhledem k tomu, že objem plynu nemůže být záporný, lze tento teplotní průsečík považovat za absolutní teplotní nulu a definovat absolutní teplotu T:
⇒
γ
= −273,15 °C 30
•
T = 273,15 + t
1
V [m3]
T V = V0 ⋅ T0
200
p [kPa]
n = 1 kmol 20
400 10
600 800
0 0
100
200 273,15 300
400
500
600
T [K] -273,15
-200
-100
0
100
200
300
t [oC]
!!!!!!!!!!!! Způsob odvození čistě matematický, fyzikálně nedokazatelný !!!!!!!!!!! Proč ? • objem částic plynu není nenulový • skutečné plyny před dosažením 0 K zkapalní. ⇒ Absolutní teplota se definuje na základě účinnosti vratného Carnotova cyklu. Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
26
3. Charlesův zákon
izochorický děj V = konst. ⇒
p ⋅V = n ⋅ R ⋅ T
⇒
p = konst . T
p = konst. ⋅ T
Při konstantním objemu je poměr p/T = konst. resp. tlak daného množství plynu je přímo úměrný absolutní teplotě.
p = p 0 ⋅ (1 + β ⋅ t )
Jiná forma zákona p
p [kPa]
tlak plynu při teplotě t
n = 1 kmol
500
10 V [m3]
400
p0 tlak plynu při teplotě t = 0°C
300
β
součinitel izochorické teplotní rozpínavosti (1/K)
200
30
t
teplota (°C)
100
40
0
20
0
100
200
300
400
500
600
T [K]
Ideální plyn
Chemie 2. Stavové chování
β=
1 K −1 273,15
stejný u všech plynů vykazujících ideální chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
27
4. Avogadrův 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 resp.
Jak se na to přijde ?
1 kmol IP
objem
22,41 m3
1 mol IP
objem
22,41 l
p ⋅V = n ⋅ R ⋅ T ⇒
V = n⋅
R ⋅T 8,314 ⋅ 273,15 = 1⋅ = 22,41 m 3 p 101,325
Nm3 – normální metr krychlový objem plynu za normálních podmínek, tj. objem plynu při teplotě 0°C a tlaku 101,325 kPa. Sfc – standardní kubická stopa objem plynu při tlaku 101,325 kPa a teplotě 70°F (21,11°C) Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
28
5. Daltonův zákon aditivity parciálních tlaků Úvaha:
• tlak plynu = výsledek nárazů pohybujících se částic • pokud směs plynů = výsledek nárazů částic všech přítomných plynů
John Dalton Ve směsi ideálních plynů mezi částicemi plynu nepůsobí žádné mezimolekulové síly, takže Předpoklad: molekuly jsou při svém chaotickém pohybu na sobě navzájem zcela nezávislé
p
=
pA
+
pB
+
pC
Celkový tlak směsi plynů A, B a C
=
Parciální tlak složky A
+
Parciální tlak složky B
+
Parciální tlak složky C
Směs plynů A, B a C
Samotný plyn A
Samotný plyn B
Samotný plyn C
⇒ parciální tlak lze chápat jako tlakový příspěvek složky k celkovému tlaku směsi ⇒ celkový tlak směsi dán součtem parciálních tlaků jednotlivých složek Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
29
Parciální tlak pi = tlak, který by dané látkové množství ni mělo při teplotě jako má směs Tsm, v objemu jako má směs Vsm, kdyby v soustavě byla složka sama Úpravami:
psm = ∑ pi = ∑ ni ⋅
R ⋅ Tsm R ⋅ Tsm = ⋅ ∑ ni Vsm Vsm
⇒
pi = ni ⋅
R ⋅ Tsm Vsm
pi n = i = cin p sm ∑ ni
⇒ parciální tlak složky je úměrný jejímu molárnímu zlomku v plynné směsi
pi = cin ⋅ psm p
=
pA
+
pB
+
pC
Celkový tlak směsi plynů A, B a C
=
Parciální tlak složky A
+
Parciální tlak složky B
+
Parciální tlak složky C
⇒ celkový tlak směsi dán součtem parciálních tlaků jednotlivých složek
psm = p1 + p2 + ...... = ∑ pi Směs plynů A, B a C
Samotný plyn A
Chemie 2. Stavové chování
Samotný plyn B
Samotný plyn C
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
30
Význam parciálního tlaku pi 1. Rozpustnost plynů v kapalinách pi = Hi.xi – Henryho zákon
2. Rychlost reakcí v plynech r = k.pAα.pBβ
3. Fázové rovnováhy pi = xi.pi´´ = yi.psm – Raoult-Daltonův zákon t [oC]
Oblast plynné fáze
křivka g – závislost teploty par na složení plynné fáze
tVA tvolená Oblast kapalné a plynné fáze Čistá složka A
I
II
Oblast xAI kapalné yAII xBI yBII fáze xA, yA [1] xB, yB [1]
Chemie 2. Stavové chování
4. Rosný bod pH2O = p´´H2O
křivka l – závislost teploty kapaliny na složení kapalné fáze
g l
tVB tVA, tVB - teploty varu čistých složek A, B Čistá složka B
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
31
Význam parciálního tlaku pi 1. Rozpustnost plynů v kapalinách pi = Hi.xi – Henryho zákon
absorpční kolona
Chemie 2. Stavové chování
aktivační nádrže v ČOV
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
aerační elementy
32
Význam parciálního tlaku pi 2. Rychlost reakcí v plynech r = k.pAα.pBβ
plynový kotel
Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
parní reforming
33
Význam parciálního tlaku pi 3. Fázové rovnováhy pi = xi.pi´´ = yi.psm – Raoult-Daltonův zákon t [oC]
Oblast plynné fáze
křivka g – závislost teploty par na složení plynné fáze
tVA tvolená Oblast kapalné a plynné fáze Čistá složka A
I
II
křivka l – závislost teploty kapaliny na složení kapalné fáze
g Oblast xAI kapalné yAII xBI yBII fáze xA, yA [1] xB, yB [1]
l
tVB tVA, tVB - teploty varu čistých složek A, B Čistá složka B
fázový diagram
Chemie 2. Stavové chování
destilace ropy
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
destilace lihovin
34
5. Amagatův zákon aditivity parciálních objemů A. Amagato: Mějme směs ideálních plynů o teplotě Tsm, tlaku psm a objemu Vsm:
V
=
VA
+
VB
+
VC
Celkový objem směsi plynů A, B a C
=
Parciální objem složky A
+
Parciální objem složky B
+
Parciální objem složky C
VC
VC
VB
Směs plynů A, B a C
⇒
Samotný plyn A (VA = 13/35 V)
VB VA
VA
Samotný plyn B (VB = 12/35 V)
Samotný plyn C (VC = 10/35 V)
parciální objem lze chápat jako objemový příspěvek složky do celkového objemu směsi
⇒ celkový objem směsi dán součtem parciálních objemů jednotlivých složek Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
35
Parciální objem složky Vi = objem, který by dané látkové množství ni mělo v prostoru při teplotě jako má směs Tsm a při tlaku jako má směs psm, kdyby v soustavě byla složka sama Vsm = ∑Vi = ∑ ni ⋅
Úpravami:
R ⋅ Tsm R ⋅ Tsm = ⋅ ∑ ni psm psm
⇒
Vi = ni ⋅
R ⋅ Tsm psm
Vi n = i = cin Vsm ∑ ni
⇒ parciální objem složky je úměrný jejímu molárnímu zlomku v plynné směsi
Vi = cin ⋅ Vsm V
=
VA
+
VB
+
VC
Celkový objem směsi plynů A, B a C
=
Parciální objem složky A
+
Parciální objem složky B
+
Parciální objem složky C
VC
VC
VB
Směs plynů A, B a C
Samotný plyn A (VA = 13/35 V)
Chemie 2. Stavové chování
VB VA
VA
Samotný plyn B (VB = 12/35 V)
Samotný plyn C (VC = 10/35 V)
⇒ celkový objem směsi dán součtem parciálních objemů jednotlivých složek Vsm = V1 + V2 + ...... = ∑Vi
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
36
6. Vztah mezi koncentracemi Amagatův zákon
Koncentrace
Vi n = i = cin Vsm ∑ ni
Vi = civ Vsm
Ideální plyny !!!!!!
civ = cin
cni nezávisí na teplotě ⇒ cvi také nezávisí na teplotě, i když objem na teplotě závisí
!!!!!!
!!!!!! platí pouze pro ideální plyny !!!!!! Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
37
Molová hmotnost směsi Msm • zadáno molové složení M sm =
m sm ∑ mi = = n sm n sm
∑ M i ⋅ ni n sm
=∑
M i ⋅ ni = ∑ cin ⋅ M i n sm
M sm = ∑ cin ⋅ M i
• zadáno hmotnostní složení M sm =
msm m msm = sm = = mi nsm ∑ ni ∑M i
1 = mi 1 ∑m ⋅M sm i
1
∑ cim ⋅
1 Mi
1 1 = ∑ cim ⋅ M sm Mi
Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
38
Příklad Spaliny jsou odváděny spalinovodem do komína. a)
Určete průměr spalinovodu pro doporučenou rychlost spalin vspaliny = 15 m/s (předpokládejte kruhové potrubí). Hmotnostní průtok spalin 0,25 kg/s, teplota spalin 300°C, tlak spalin 105 kPa.
b)
Určete 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 Chemie 2. Stavové chování
Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze
39