Лекции.Орг


Поиск:




Категории:

Астрономия
Биология
География
Другие языки
Интернет
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Механика
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Транспорт
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология
Экономика
Электроника

 

 

 

 


Закони зберігання маси та енергії в умовах рівноваги систем




Для розглядання питань рівноваги необхідно уточнити виз­начення поняття система. Фізичною або хімічною системою на­зивають сукупність взаємодіючих тіл. Якщо ця взаємодія визна­чається фізичними закономірностями, то розуміють фізичну сис­тему, хімічними — хімічну систему і т.д.

Біологічною системою в залежності від рівня розглядання жи­вої природи звичайно називають сукупність взаємодіючих моле­кул в клітині (клітинно-молекулярний рівень), клітин в організмі (організменний рівень), організмів в популяції (популяційний рівень) та різних популяцій в навколишнім середовищі (біогеоце-нологічний). Відносно до технології очевидно має сенс ввести по­няття біохімічної системи, під якою належить розуміти су­купність взаємодіючих тіл (мікроорганізмів та компонентів) се­редовища, які підлягають законам біохімічних перетворень.

Технологічною системою можна називати сукупність вико-нуємих в певній послідовності технологічних операцій над пере-роблюємим продуктом. Технологічну систему можна сформува­ти із різних окремих елементів в різній комбінації, але при цьому повинна бути чітко сформульована технологічна мета системи у вигляді кількісних та якісних характеристик.

Закони рівноваги систем пристосовані до фізичних, хімічних та біологічних систем. Системи, які знаходяться в рівновазі, не змінюють свого стану протягом часу. Стан системи визначається її відстанню від стану рівноваги. Наприклад, при взаємодії су­шильного агенту і висушуємого матеріалу найбільша швидкість сушіння має місце при найбільших значеннях вологості матеріалу та найменшому вологоутриманні сушильного агенту, тобто при найбільшому віддаленні від кривої рівноваги стану. Для виводу системи з рівноваги необхідно на неї якимось чином вплинути зовні шляхом зміни температури, тиску, концентрації та інше.

Всі хіміко-технологічні процеси діляться на зворотні та незво-ротні. Незворотні процеси перебігають лише в одному напрямку. Більшість процесів технології є незворотними або проходять при таких технологічних режимах, при яких процеси можуть пе-

ребігати тільки в одному напрямку (сушіння, ректифікація, ад­сорбція, подрібнення, пресування і ін.). Інші процеси є зворотни­ми (абсорбція, кристалізація) навіть при прийнятих техно­логічних режимах. Хімічні реакції, як правило, зворотні в тому відношенні, що в залежності від умов вони можуть перебігати як в прямому, так і в зворотному напрямі. Проте в умовах вироб­ництв багато хімічних реакцій практично незворотні. Напри­клад, реакція, яка проходить при гасінні вапна

практично незворотна. Незворотним є також багато складних реакцій, які уявляють собою сукупність ряду стадій. Наприклад, реакція бродіння

В гетерогенних системах зворотними називають такі процеси, в яких можливий перехід речовини або енергії (теплоти) як із однієї фази в іншу, так і навпаки. Всі зворотні хіміко-технологічні процеси проходять як правило поблизу стану рівноваги та на­ближаються або прямують до рівноваги, при якій швидкості пря­мого та зворотного процесів вирівнюються, в результаті чого співвідношення компонентів у взаємодіючій системі залишається незмінним, поки не зміняться зовнішні умови. При зміні темпера­тури, тиску або концентрації одного з компонентів рівновага по­рушується і в системі самочинно проходять дифузійні та хімічні процеси, які ведуть до відновлення рівноваги в нових умовах. До хімічної рівноваги можливо вжити другий закон термодинаміки в загальному виді, тобто однією із умов хімічної рівноваги в ізо­льованій системі є максимум ентропії S. Подальший приріст ент­ропії обов'язковий для всіх самочинних процесів в стані рівнова­гий, не проходить, тобто dS = 0.

Закономірності рівноваги дозволяють визначити лише макси­мально можливий (теоретичний) вихід продукту. Проте теоре­тичний вихід у виробничих умовах звичайно не досягає через зменшення сумарної швидкості різних перетворень (хімічних,

біохімічних та інших

за мірою зниження величини рухомої сили. В незворотних процесах, тобто при v = 0, швидкістьреакції прямує до нуля при повному витраченні одного з початкових реагентів. В зворотних процесах (v 0) при

тобто при досягненні рівноваги. Наприклад, швидкість техно­логічного процесу по цільовому продукту при хімічних перетво­реннях є результуючою швидкістю прямої, зворотної та побічних

реакцій, а також дифузії початкових речовин в зону реакції та продуктів із цієї зони.

Вплив основних параметрів технологічного режиму на рівно­вагу в гомогенних та геторогених системах визначається принци­пом Ле-Шателье, який визначає другий закон термодинаміки. В системі, виведеної зовнішніми діями із стану рівноваги, прохо­дять зміни, спрямованні на послаблення дій, які виводять систе­му з рівноваги. Для прикладу розглянемо використання принци­пу Ле-Шательє до екзотермічної оеакітії синтезу

- кількість молей речовин А, В та D;

Q — тепловий ефект реакції. Позначаючи об'єми речо­вин через v, припустимо, що реакція йде зі зменшен­ням об'єму, тобто

исновні умови, які впливають на кількість одержаного про­дукту, — температура t, тиск Р та концентрація С (співвідношен­ня в реакційному об'ємі) реагуючих речовин СА, СВ і CD. Для зрушення рівноваги вправо, тобто збільшення кількості продук­ту (підвищення рівноваги виходу), відповідно з принципом Ле-Шателье необхідно понизити температуру t та концентрацію продукту С, тобто вивести продукт із реакційної зони, а також збільшити тиск Р та концентрації початкових речовин СА і СВ в рекційній зоні. При чому підвищення СА буде сприяти більш по­вному перетворенню речовин, а також підвищенню СВ, тобто сприяти більш повному перетворенню речовини А. Ці обставини використовують в харчовій промисловості, наприклад, при випічці мучних кондитерських виробів з бездріжджевого тіста для його розпушення використовують хімічну реакцію між ли­монною кислотою та содою

и poj^jibictii лкиї виділиться вуглекислий газ, який розпушує тісто. Реакція повинна проходити при надлишку соди, тобто при­сутність кислоти, яка погіршує якість тіста, небажана.

В гетерогенних екзотермічних процесах абсорбція якого-не-будь компоненту газової суміші рідиною відповідно з принципом Ле-Шательє рівноважна концентрація газу в рідині або рівно­важна ступінь абсорбції газового компоненту (вихід продукту) збільшується при зниженні температури та підвищенні загально­го тиску, а також при зменшенні парціального тиску поглиненого

компоненту над рідиною. Зменшення парціального тиску над рідиною може бути досягнене при виведенні продукту із зони аб­сорбції. Наприклад, осадження його у вигляді твердих кристалів. Підвищення концентрації (парціальний тиск) поглинаємого ком­поненту в суміші збільшує рівноважну концентрацію його в рідині, але степінь абсорбації може не з мінюватись.

Розчинність кристалічних речовин в рідині відповідно з прин­ципом Ле-Шателье підвищується з підвищенням температури, якщо цей процес є ендотермічним, оскільки енергія, яка витра­чається на руйнування кристалічних ґраток, більше теплоти

сільвації молекул.

Константа рівноваги служить кількісною мірою встановлен­ня рухомої рівноваги та визначається взагалі як величина термо­динамічна. Проте її можна одержати також із закону дії мас, згідно з яким швидкість діючої реакції в даний момент часу пря­мо пропорціональна добутку молярних концентрацій реагуючих речовин. Для реакції синтезу швидкість прямої реакції

А швидкість зворотної реакції

— константи швидкостей прямої та зворотної реакцій;

— молярні концентрації (або парціальні тиски) реагую­чих компонентів в даний момент часу, тобто величи­ни, змінні в часі. Константа рівноваги К обчис­люється як відношення константи швидкості прямої пеакції до зворотної при рівновазі, тобто при рівності

- концентрації або парціальні тиски реагуючих компонентів в стані рівноваги. Для газів константу рівноваги можна виразити через парціальні тиски реагуючих компонентів Рі, кон-Центоашї компонентів Сі (наприклад, в моль/ ) та нарешті через

їх мольні частки Ni. Відповідно одержують константи рівноваги, які позначують Кр, Кс, Кn. Вони пов'язані між собою рівнян­нями

Де p- загальний тиск газової суміші;

— приріст числа молей газів після реакції.

Для модельної реакції

Для одержання безрозмірних значень константи рівноваги в формулу підставляють відносні величини. Наприклад, відношен­ня дійсних парціальних тисків до стандартних, рівним 0,1 МПа. Для розчинів користуються мольними концентраціями, або ж концентраціями іонів. Рівняння для обчислення рівноваги не го­диться, оскільки рівноваги концентрацій звичайно не відомі і визначаються тільки при відомих початкових концентраціях. Чи­сельні значення констант рівноваги для різних реакцій визнача­ються дослідами або розраховуються аналітично в залежності від температури та тиску, наведено у вигляді таблиць, номограм в довідниках. Для їх визначення за дослідними даними константи виражають через вихід продукту.

Використовуючи принцип Ле-Шательє до конкретних про­цесів, можна встановити величину зміни параметрів, які не­обхідні для виміру стану системи.

Використовуючи правило фаз Гібса

можна встановити кількість змінних (число ступенів свободи S), які визначають рівновагу системи при числі компонентів системи K та числі

фаз f

Дисципліна "Процеси та апарати" вивчає рівновагу одинич­них процесів та встанавлює правила побудови ліній рівноваги та ліній робочих концентрацій. В біохімічних процесах проявлення законів рівноваги має свої особливості, які будуть розглянуті при аналізі кінетики біохімічних реакцій.





Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2016-03-28; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 528 | Нарушение авторских прав


Поиск на сайте:

Лучшие изречения:

Неосмысленная жизнь не стоит того, чтобы жить. © Сократ
==> читать все изречения...

2280 - | 1986 -


© 2015-2024 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.008 с.