Термодинаміка і теплові процеси зварювання

 

 

Тепловий ефект   є функціями відповідно внутрішньої енергії та ентальпії, тому вони залежать від температури і тиску, а для ідеальних газів, лише від температури. Щоб встановити залежність від температури теплового ефекту ізохорної реакції, продиференціюєм за температурою рівняння  .

тут   – сумані істинні теплоємності відповідно вихідних і кінцевих компонентів реакції  отримаємо

отримані співвідношення можна узагальнити формулою   яка означає математичний вираз закону Кірхгофа. Закон Кірхгофа формулюється так:

Похідна теплового ефекту по температурі дорівнює різниці сумарної теплоємності вихідних і кінцевих компонентів реакції.

Конкретні значення коефіцієнтів теплоємності С1 і С2 залежить від вигляду рівняння хімічної реакції.

У загальному вигляді і для реакції

аА+вВ+…=сС+dD+…

маємо C1=аСА+вСВ+…= .

С2=сСС+dCD+…= 

тут n1 число кіломолей кожної із вихідних речовин, а  - мольна істинна теплоємність  і  число кіломолей і мольна теплоємність кожного із продуктів реакції.

Для отриманої шуканої залежності в явному вигляді проінтегруємо диференціальне рівняння dQ=C1dT- C2dT, тоді одержимо

Це рівняння можна записати у вигляді

Тут під   мається на увазі число кіломолей кожного із компонентів реакції.

Якщо відомий тепловий ефект реакції за стандартних умов Q0, можна знайти тепловий ефект реакції за будь-якої температури за формулою

Для реакцій, в яких залежність теплоємності від температури виражається поліномом Сіст=а0+а1T+ а2T2+…

Тут  - алгебраїчні струми постійних а0, а1, а2 індивідуальних речовин у відповідних рівнях. При додаванні постійних величин, які розміщені зліва в рівняннях реакції, беруть із знаком «-», а величини які розташовані справа, зі знаком «+». Якщо температурна залежність теплоємності від температури виражається рядом

При практичних розрахунках тепловий ефект знаходять за даними таблиць в яких Н ентальпії реагуючих речовин. Перехід системи із одного стану в інший супроводжується зміною його ентальпії .

Різниця між початковими речовинами і вихідними речовинами за заданої температури T рівна

Приклад 1. Тепловий ефект згоряння CO до СО2 при 25 °С дорівнює 283 кДж/моль. Визначити залежність теплового ефекту цієї реакції від температури і його величину при 2000 К. Температурні залежності молярних теплоємностей речовини, які приймають в реакції виражаються рівняннями для СО2

 

 

 

Розглянемо систему, яка складається із двох фаз і газоподібної, при цьому один із компонентів газової фази може розчинятись у рідині. Рівновага наступить тоді коли швидкість розчеплення цього компонента (газу) в рідкій фазі  дорівнює швидкості входу цього компонента із розчину  . Очевидно, що за заданої температури швидкість розчинення газу в рідині пропорційна його парціальному тиску, тобто  , а швидкість виділеного газу з рідини пропорційна його концентрації в рідкій фазі  ,

тоді

де  - константа Генрі, вона дорівнює розчинності газу при тиску  

Константа Генрі залежить від температури:

 - зміна ентропії при розчиненні.

 

 

Якщо в гетерогенну систему, яка складається з двох рідин які не змішуються між собою, ввести третю речовину, яка розчиняється в обох рідинах, то ця речовина розподіляється між рідинами за законом розподілу, який формулюється так: відношення концентрації речовини розподіленої між собою двома рідинами, які не змішуються між собою, є величиною сталою і не залежить від температури. Математично цей закон можна записати:

е  - концентрація розчиненої речовини в першому розчиннику;

 - концентрація розчиненої речовини в другому розчиннику;

На законі розподілу ґрунтується екстракція речовини із розчину за формулою іншого розчина. Нехай в V мл розчину міститься до грамів екстрагованої речовини. Ця кількість розчину змішується в Vв мл розчина. Після одноразової екстракції в початковому розчині залишається q, грамів екстрагованої речовини.

З цього рівняння випливає:

Після другої екстракції таким самим об’ємом Vb мл cвіжого розчинника, кількість речовини, яка залишається в першому розчиннику.

Після повторних екстракцій однаковим об’ємом Vb мл одного і того ж розчинника, кількість   речовини, яка залишається в вихідному розчині.

Користуючись законом розподілу, можна із розплаву виділяти сірку фосфор та інші домішки металу.

 

 

На границі розподілу фаз властивості фази відрізняються від властивостей цієї ж фази на віддалі від границі розділу. У центральних об’ємах фази кожна частинка зрівноважена дією оточуючих її частин, у той час як у периферійній області взаємодія поверхневих частин не зрівноважена. У цьому випадку виникають сили поверхневого натягу, які намагаються зменшити зовнішню поверхню. Величина поверхневого натягу має одиницю вимірювання   і позначається буквою  .

Поверхневий натяг   виражає максимальну роботу утворення одиниці поверхні і дорівнює зміні ізотермічного потенціалу в даному процесі. При утворенні поверхні площиною   зміна ізобарного потенціалу виражається величиною:

Внаслідок того, що при підвищенні температури поверхневий натяг зменшується  , то  . Це означає, що утворення нової поверхні супроводжується зростанням ентропії і поглинанням теплоти.

Умовою загального умовного самочинного протікання процесу за постійних температур і тиску є  ; стосовно поверхневих процесів  .