Макроскопические физические системы и процессы

Роль процессов переноса в современной технологии.

Все технологические процессы, которые используются в различных отраслях промышленности сопровождаются тепловыми явлениями, которые необходимо учитывать в той или иной степени. Однако большое место занимают технологические процессы, которые основаны на различных тепловых воздействиях, например: на нагреве, охлаждении, кипении, испарении, сушке, конденсации, сублимации и т.д. Эти тепловые процессы в большинстве случаев сопровождаются массообменными процессами, т.е. процессы переноса массы и энергии могут тесно переплетаться.

Такие технологии принято называть теплотехнологиями, а установки и оборудование в которых они реализуются называются теплотехнологическими. Теплотехнологические процессы и установки принято подразделять на высокотемпературные, а также средне- и низкотемпературные. Начиная от -150 °С и ниже процессы и установки относят к криогенной области.

Отличительной особенностью высокотемпературных процессов и установок от средне- и низкотемпературных является использование в первых в качестве источника энергии органического топлива или электроэнергии (в перспективе атомной энергии). При сжигании органического топлива достигаются высокие температуры процесса (обычно в топке 1600-1800 °С). В процессах и установках средне- и низкотемпературных теплотехнологий используются, как правило, вторичные энергоносители: водяной пар, горячие газы различного происхождения, нагретые жидкости и т.д. Примером высокотемпературных установок являются доменные печи, мартеновские, различные промышленные печи. Примером установок средне- и низкотемпературных теплотехнологий могут служить различные выпарные установки, сушильные, ректификационные, дистилляционные.

Макроскопические физические системы и процессы.

Макроскопические физ.системы - это системы состоящие из большого количества частиц каковыми являются атомы и молекулы. Считается, что движение молекулы обладает беспорядочностью т.к. предсказать точно характер движения одной частицы сложно из-за их большого количества, а также большого количества столкновений (взаимодействий) их между собой за короткий промежуток времени. Однако для решения практических задач обычно не требуется знать характер движения отдельной частицы, а нужны осредненные характеристики, характеризующие состояние данной макросистемы. Эти параметры рассматриваются как результат суммарного поведения всех частиц. Они поддаются опытному определению в ряде случаев расчету и могут иметь конкретное значение. Такими параметрами являются, например давление, температура, теплоемкость, внутренняя энергия, энтропия, вязкость и др., потому что говорить о давление и температуре одной частицы не имеет смысла.

Состояние макросистемы может быть равновесным и неравновесным. Равновесным называется такое состояние, при котором во всех точках рассматриваемой системы в один и тот же момент времени тождественные параметры одинаковы. Понятие равновесной системы позволяет изобразить состояние этой системы на любой диаграмме точкой. Для неравновесных систем достаточно чтобы хотя бы один из параметров отличался от других точек.

Процессы, происходящие в макросистемах также бывают равновесными и неравновесными. Равновесным наз-ся процесс, который проходит через бесконечное количество равновесных состояний и потому может быть изображен в виде непрерывной линии на диаграмме. Каждая точка этой линии - это отдельное равновесное состояние. Для реализации равновесного процесса необходимы бесконечно большие промежутки времени. Реальные процессы, происходящие в природе и технике проистекают в конечном временном интервале и практически всегда являются неравновесными. Использование равновесных процессов важно с точки зрения теории. Равновесные процессы являются обратимыми, т.е. они могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Неравновесные процессы всегда не обратимы т.к. сопровождаются необратимым преобразованием энергии, ее переходом в теплоту.

При отсутствии каких-либо внешних воздействий самопроизвольно будет переходить в равновесное состояние. Процессы, проходящие при таком переходе, называются кинетическими. Время перехода системы из неравновесного в равновесное состояние называется временем релаксации. Это время зависит как от термодинамических параметров системы, так и от параметров, которые термодинамическими не являются, например длина и время свободного пробега. Наука, изучающая такие кинетические процессы, называется макрокинетикой.

Макрокинетика – (кинетика макроскопических процессов) описывает протекание хим. превращений во взаимосвязи с физическими процессами переноса вещества (массы), теплоты и электр.заряда. Практические задачи макрокинетики также многообразны, как и химикотехнологические процессы. Существуют отдельные разделы макрокинетики, которые представляют собой самостоятельные дисциплины, этими разделами являются:

1. диффузионная кинетика – изучает влияние макропереноса на скорость гетерогенных химических реакций в условиях, когда перенос теплоты можно не учитывать.

2. теория гетерогенных экзотермических и эндотермических процессов, в которые необходимо учитывать процессы переноса и теплоты и вещества.

3. теория горения, изучающая роль переноса вещества и теплоты в протекании гомогенных экзотермических реакций

4. макрокинетика процессов растворения

5. макрокинетика электрохимических процессов

6. химическая гидродинамика