1.3 Элементы технической термодинамики. Введение в химическую термодинамику.
а) Понятие об идеальных и неидеальных растворах
Растворы, в соответствии с их термодинамическими свойствами, различают как идеальные и неидеальные растворы.
Истинным раствором называется гомогенная система, состоящая из двух и более компонентов. Растворы бывают жидкие, твердые и газообразные. Истинные растворы термодинамически устойчивы. Их образование самопроизвольно, т.е. в процессе растворения вещества в растворителе энергия Гиббса системы уменьшается (ΔGобразования<0). Компонент, преобладающий по составу, называют растворителем, остальные компоненты – растворенные вещества.
Идеальный раствор является специальным случаем идеальной системы. В идеальной системе химический потенциал является суммой двух функций
µi=µii(T, p) + RTln xiодна из которых зависит только от Т и р и называется стандартной функцией, а вторая RTlnxi зависит также от состава.
Идеальным называется раствор, образование которого из компонентов не сопровождается тепловым эффектом и изменением объема: ΔН=0, ΔV=0. В идеальном растворе энергии взаимодействия всех видов молекул одинаковы.Такие растворы образуют, например, соседние гомологи в ряду органических соединений или смеси изомеров.
Предельно разбавленным называется раствор, в котором концентрация растворенного вещества бесконечно мала.Растворитель в таких растворах подчиняется законам идеальных растворов, а растворенные вещества не подчиняются.
Неидеальными называются растворы, которые не подчиняются законам идеальных и предельно разбавленных растворов.Для характеристики их равновесных свойств пользуются методом активности (Г. Льюис).
Равновесные свойства раствора зависят от состава раствора и свойств его компонентов. Эти зависимости устанавливаются термодинамической теорией растворов. Свойства компонентов раствора выражаются черезпарциальные молярные величины.
б) Расчет КПД двигателя Стринга
Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическое воплощение этого цикла малоперспективно. Цикл Стирлинга позволил получить работающий на практике двигатель в приемлемых размерах.
Диаграмма «давление-объём» идеализированного цикла Стирлинга
Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу.
Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится вытеснителем. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое вытеснителем, одинаково. Полезная работа производится только за счёт изотерм, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.
КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. КПД двигателя почти не зависит от скорости двигателя при условии, что температура в трубках нагревателя не изменяется во всем диапазоне рабочих режимов двигателя и температура в холодильнике не возрастает. Температуру в трубках нагревателя следует поддерживать на возможно более высоком уровне. При повышении температуры охлаждающей жидкости на один градус КПД двигателя падает на 0,5%. Вследствие непрерывного воздействия высоких температур для обеспечения длительного срока службы требуются высококачественные сплавы