В инженерной практике часто приходится иметь дело с газообразными веществами, близкими по свойствам к идеальным газам и представляющими собой механическую смесь отдельных компонентов различных газов, химически не реагирующих между собой. Это так называемые газовые смеси. В качестве примера можно назвать воздух, продукты сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания, топках печей и паровых котлов, влажный воздух в сушильных установках и т. п.
Все зависимости, полученные выше для идеальных газов, справедливы и для их смесей, если в них подставлять газовую постоянную, молекулярную массу и теплоемкость смеси.
Закон Дальтона. Основным законом, определяющим поведение газовой смеси, является закон Дальтона: полное давление смеси идеальных газов p равно сумме парциальных давлений всех входящих в нее компонентов:
Парциальное давление рi, — давление, которое имел бы газ, если бы он один при той же температуре занимал весь объем смеси.
Способы задания смеси. Состав газовой смеси может быть задан массовыми, объемными или мольными долями.
|
|
Массовой долей gi называется отношение массы отдельного компонента Mi к массе смеси М:
gi = Mi / M.
Очевидно, что M = Σ Mi
и Σ gi = 1.
Массовые доли – безразмерные величины и часто задаются в процентах. Например, для сухого воздуха доля азота составляет 77%, а кислорода – 23%.
Объемная доля ri представляет собой отношение приведенного объема газа Vi к полному объему смеси V:
ri=Vi / V.
Приведенным называется объем, который занимал бы компонент газа, если бы его давление и температура равнялись давлению и температуре смеси.
Вычисление приведённого объема определяется из уравнения:
Vi / V = рi / р.
Просуммировав все компоненты смеси, получим с учетом закона Дальтона
Σ Vi = V, откуда Σ ri = 1.
Объемные доли также часто задаются в процентах. Для воздуха r O2 = 21 %, r N2 = 79%.
Иногда бывает удобнее задать состав смеси мольными долями. Мольной долей называется отношение количества молей Ni рассматриваемого компонента к общему количеству молей смеси N.
Мольная доля компонента будет равна Ni /N, а число молей смеси N = Σ Ni
Задание смеси идеальных газов мольными долями равнозначно заданию её объемными долями
Ni /N = Vi/V.
Газовая постоянная смеси газов. Просуммировав уравнения для всех компонентов смеси, получимгазовую постоянную смеси газов
RCM = Σ giRi = 8314 Σ (gi / μ i).
Смесь идеальных газов также подчиняется уравнению Клапейрона
pV = MRCMT.
Кажущаяся молекулярная масса смеси. Кажущаяся молекулярная масса смеси, заданная объемными долями, равна:
.
Теплоемкость смесей идеальных газов. Если смесь газов задана массовыми долями, то ее массовая теплоемкость с определяется как сумма произведений массовых долей на массовую теплоемкость каждого компонента, т. е.
|
|
,
.
При задании смеси объемными долями объемная теплоемкость смеси
,
.
Аналогично мольная теплоемкость смеси равна произведению объемных долей на мольные теплоемкости составляющих смесь газов:
,
.
В сушильной технике в качестве рабочего тела широко используют влажный воздух, представляющий собой смесь сухого воздуха и водяного пара. Содержание водяного пара в атмосферном воздухе зависит от метеорологических условиях, а также от наличия источников испарения воды и колеблется в широких пределах: от малых долей до 4% по массе.
Обычно к влажному воздуху, пренебрегая незначительной погрешностью, применяют уравнение состояния для идеальных газовых смесей.
20. Удельная теплоемкость.
21. Массовая, объемная и мольная теплоемкость смеси газов.
22. Массовая, объемная и мольная теплоемкости.
23. Истинная и средняя теплоемкость.
24. Теплоемкость при постоянном объеме и постоянном давлении.
25. Уравнение Майера.