Основные законы науки о процессах и аппаратах

Энергетический баланс. Этот баланс составляют на основе закона сохранения и превращения энергии. Закон формулируется следующим образом: в изолированной системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной, или энергия никогда не создается и не уничтожается — она только переходит из одной формы в другую. Отсюда следует вывод, что нельзя получить нечто из ничего. Это великое «бухгалтерское» правило оказалось очень полезным. Если обнаруживается изменение энергии, которое не входит в современный список форм энергии, если выясняется, что энергия исчезает или появляется как бы из ничего, то приходится придумывать новый вид энергии, который учел бы эту разницу. Нейтрон, например, был «обнаружен вследствие недостачи в энергетическом балансе атомного реактора. Его открыл в 1932 г. английский ученый Джеймс Чэдвик.

Разновидность энергетического баланса — тепловой баланс, который в общем виде записывается в виде уравнения

ΣQ_H=ΣQ_K+ΣQ_Π

ΣQ_H где— количество вводимой теплоты; ΣQ_K — количество отводимой теплоты; ΣQ_Π — потери теплоты.

Вводимая теплота учитывает различные составляющие:

ΣQ_H=ΣQ₁+ΣQ₂+ΣQ₃

где ΣQ₁ — количество теплоты, вводимой с исходными веществами; ΣQ₂ - количество теплоты, вводимой извне, например с теплоносителем, обогревающим аппарат; ΣQ₃ — тепловой эффект при физическом воздействии, например экструзии, или при химических превращениях. Если теплота при этом выделяется, то Q₃ входит в уравнение со знаком «+», если теплота поглощается, то ставится знак «—».

Материальный баланс. Согласно закону сохранения массы количество поступающих в аппарат веществ ΣM_H равно количеству веществ ΣMk, получаемых в результате проведения процесса в аппарате, и возможных потерь ΣM_П:

ΣM_H= ΣMk + ΣM_П

Баланс составляют за единицу времени, например за 1 ч. На основе материального баланса определяют выход продукта.

Принцип Ле Шателье. Как же организуется на практике протекание сложных процессов, например процессов массообмена? Основа сложных процессов организации и управления ими — использование объективно существующей природной закономерности самостоятельного перехода любой системы к состоянию равновесия. Равновесным считают такое состояние системы, которое само устанавливается в ней и не изменяется во времени. Никакие процессы в системе при этом не происходят. Если каким-либо внешним воздействием вывести систему из состояния равновесия, в ней самопроизвольно начнутся изменения, возвращающие ее в новое состояние равновесия, соответствующее измененным внешним условиям. Это утверждение составляет сущность принципа Ле Шателье. Обусловленные этим принципом явления лежат в основе организации рабочих про­цессов физико-химической природы.

Пример 1. В цилиндрическом сосуде с водой и поршнем над ней равновесное Давление паров над поверхностью воды самопроизвольно устанавливается соответствующим температуре сосуда. Если внешним усилием переместить поршень в новое положение, давление паров над поверхностью воды увеличится. Это вызовет самопроизвольную их конденсацию. В результате через некоторое время давление паров примет первоначальное значение, т. е. система вновь окажется в равновесии, хотя положение поршня стало новым. Явление конденсации паров в процессе самопроизвольного восстановления равновесия, нарушенного нами преднамеренно, может использоваться как искусственно организованный процесс конденсации.

Правило фаз Гиббса. В многокомпонентной многофазной системе часть параметров может изменяться независимо, т. е. им можно задавать произвольные значения; оставшаяся их часть является зависимой; их изменения автоматически подстраиваются к изменениям независимых параметров. Соотношение между числом степеней свободы системы S (числом параметров, которые можно изменять произвольно), числом компонентов К (числом чистых химических веществ системы) и числом фаз (числом физически однородных по своей массе веществ) определяется правилом фаз Гиббса

S=K-F+ 2

Пример 2. В закрытом сосуде с раствором этилового спирта в воде число фаз F= 2 (пар и жидкость); число компонентов К= 2 (вода и спирт); число степеней свободы 5 = 2 —2 + 2 = 2. Параметрами, определяющими состояние этой системы, являются температура, давление и концентрация спирта. Произвольные значения могут быть заданы только для двух параметров, например для концентрации спирта и температуры. Давление же (сосуд должен быть закрыт, чтобы система была замкнутой) устанавливается самопроизвольно и определяется заданными параметрами. Если в данном примере сосуд оставить открытым (независимо поддерживать в нем заданное давление, равное атмосферному), то в смеси жидкостей начнутся процессы, направленные на восстановление равновесного значения давления (процессы либо испарения, либо конденсации паров). При этом концентрация спирта как в парах, так и в жидкости будет изменяться в соответствии с первым законом Д. П. Коновалова. Это явление лежит в основе процесса перегонки.