Основные свойства газовых смесей

Под газовой смесью понимается смесь отдельных газов, не вступающих между собой ни в какие химические реакции. Каждый газ в смеси независимо от других газов полностью сохраняет все свои свойства и ведет себя так, как если бы он один занимал весь объем смеси. Молекулы газа создают давление на стенки сосуда, которое называется парциальным (частичным). Будем считать, что каждый отдельный газ, входящий в смесь, подчиняется уравнению состояния Клапейрона, т. е. он является идеальным газом.

Газовая смесь идеальных газов подчиняется закону Дальтона, который гласит: общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений отдельных газов, составляющих смесь:

, (3.1)

где , , ... – парциальные давления.

Парциальное давление – это давление, которое имел бы каждый газ, входящий в состав смеси, если бы этот газ находился один в том же количестве, в том же объеме и при той же температуре, что и в смеси.

Параметры газовой смеси могут быть вычислены по уравнению Клапейрона

,

где все величины, входящие в уравнение, относятся к смеси газов.

3.2. Способы задания состава и расчёт параметров смеси газов.

Газовая смесь может быть задана массовыми, объемными и мольными долями.

Массовой долей называется отношение массы каждого газа к общей массе смеси:

(3.2)

где , , … – массовые доли; m₁ m₂, ..., m_n – масса каждого газа;

m_см – масса всей смеси.

Сумма массовых долей равна единице:

.

Объемной долей называется отношение парциального (приведенного) объема каждого газа к общему объему смеси газов:

(3.3)

где r₁, r₂, ... r_n – объемные доли; V₁ V₂, ... V_n – парциальные (приведенные) объемы каждого газа; V_см – объем смеси газов.

Парциальным объемом газа называется объем, который занимал бы этот газ, если бы его температура и давление равнялись температуре и давлению смеси газов.

Общий объём смеси газов равен

. (3.4)

Сумма парциальных объемов газов, составляющих смесь, равна объему смеси газов.

Сумма объемных долей равна единице:

.

Задание смеси мольными долями равнозначно заданию её объемными долями.

Между удельными объемами, плотностями, молекулярными массами и газовыми постоянными какого-нибудь газа и всей смеси в целом на основании закона Авогадро и уравнения Клапейрона – Менделеева существует следующая зависимость:

, (3.5)

где – плотность каждого газа; – плотность смеси газов; – молекулярная масса каждого газа; – молекулярная масса смеси газов.

Можно записать также, что

. (3.6)

Последнее соотношение позволяет составить несколько уравнений, для расчёта параметров газовой смеси.

Для перевода массовых долей в объемные пользуются формулой

(3.7)

Объемные доли переводят в массовые по формуле

(3.8)

Плотность смеси ρ_см, кг/м³, определяют из выражения

(3.9)

или, если известен массовый состав, по формуле

. (3.10)

Удельный объем смеси представляет величину, обрат­ную ρ_см; поэтому, если дан объемный состав смеси, то

(3.11)

Если же известен массовый состав, то

. (3.12)

Из уравнения (3.9) легко получить значение так называемой кажущейся молекулярной массы газовой смеси

(3.13)

или через массовый состав

(3.14)

Газовую постоянную смеси газов (R_cм) можно выразить или через газовые постоянные отдельных компонентов, входящих в смесь, или через кажущуюся молекулярную массу смеси

(3.15)

или

. (3.16)

Парциальные давления определяются проще всего, если известны объёмные доли отдельных компонентов входящих в смесь;

p₁ = p_смr₁, p₂ = p_смr₂ и т.д.

или вообще

p_i = Р_см ∙ r_i, (3.17)

где pi – парциальное давление любого газа, входящего в смесь.