Законы сохранения массы, энергии и импульса.

Законы сохранения

(Теоретическим фундаментом науки о процессах и аппаратах химических технологий является следующие основные законы природы).

Законы сохранения массы, энергии и импульса.

 Эти законы допускают только такие превращения, при которых суммы массы, энергии и импульса внутри системы остаются неизменными .Эти законы принимают форму уравнений балансов (материальных, тепловых).

Законы термодинамического равновесия

определяют условия, при которых процесс переноса массы, энергии и импульса приходит к своему завершению (состоянию равновесия). Знание условий равновесия позволяет определить направление процесса переноса, границы его течения, рассчитать движущую силу процесса.

Законы переноса массы, энергии и импульса

определяют плотность потока любой из этих субстанций в зависимости от градиента сопряженного с ней потенциала переноса. Потенциалом в случае переноса массы является плотность или концентрация ; переноса энергии - энтальпия , в случае переноса импульса – количество движения единицы объема жидкости (  ).

Таким образом, законы сохранения энергии определяют интенсивность протекания химико-технологических процессов и, в конечном счете, – производительность используемых аппаратов.

Эти законы являются теоретической основой всех технологических процессов – гидромеханических, тепловых, массообменных.

Субстанция (масса, энергия, импульс) проходит через границу области пространства, в пределах которой они могут изменяться. Эту область называют контрольным объемом, а ограничивающую поверхность – контрольной поверхностью. На эту область могут действовать внешние силы. Размеры области могут быть конечными или бесконечными. Для полного определения задают систему координат, по отношению к которой он движется или покоится.

Закон сохранения массы

 -сумма масс всех компонентов равна массе всей системы .

Закон сохранения энергии

( количества движения).

. (первый закон термодинамики)

Законы равновесия

Основной задачей химико-технологических процессов является направленное изменение макроскопических свойств веществ, состава, агрегатного состояния,  и . Для этого на систему воздействуют подачей или отводом тепла, внешними силовыми полями, давлением, что приводит к переносу субстанций – массы, энергии, импульса. Предельным состоянием системы является подвижное равновесие.

Гидравлика

- наука, изучающая законы равновесия и движения различных жидкостей.

Гидравлика подразделяется на гидростатику (изучает законы равновесия жидкости в состоянии покоя) и гидродинамику (изучает законы движения жидкости). (жидкости - это газы, пары, жидкости), то есть все вещества обладающие текучестью.  

Идеальная жидкость - абсолютно несжимаемая жидкость, не обладающая вязкостью.

Реальные жидкости - капельные и упругие. Капельные жидкости можно считать практически несжимаемыми.

Виды движения

При установившемся движении ; Скорость не зависит от времени , т.е. скорость является функцией только координат. .

При неустановившемся движении  и

(неустановившееся движение – истечение жидкости из отверстия в сосуде).

Режимы движения

.Существуют 2 принципиально различных вида движения - ламинарный и турбулентный. Переход от ламинарного движения к турбулентному зависит не только от скорости , но и от физических свойств жидкости .

Безразмерный комплекс, который называется критерием Рейнольдса, позволяет судить о режиме движения ;

ламинарное движение;

турбулентное движение.

2300 10000- переходный режим (движение неустойчиво).

(гладкие трубы). При шероховатости _кр может снижаться.

Когда жидкость движется по каналам некруглого сечения, вместо используют диаметр _э. _, где s - сечение потока; - смоченный периметр.

Гидромеханические процессы

При расчетах процессов и аппаратов химических технологий необходимо учитывать гидродинамические условия в аппаратах.

Уравнение Бернулли

Интегрирование дифференциальных уравнений движения Эйлера приводит к важнейшему уравнению гидродинамики- уравнению Бернулли. Это уравнение широко используется в инженерных расчетах.

 - уравнение Бернулли для идеальной жидкости.

z- нивелирная высота (геометрический напор)

- гидростатический напор;

- динамический напор;

Из уравнения Бернулли - для любого сечения потока сумма потенциальной   и кинетической  энергий жидкости - величина постоянная.

(Уравнение Бернулли – это частный случай закона сохранения энергии). При движении реальной жидкости гидродинамический напор H не остается постоянным, так как частицы жидкости встречают сопротивление, вызванное силами вязкости и различными другими препятствиями.

На преодоление этого сопротивления, которое называется гидравлическим расходуется энергия движущейся жидкости, которая превращается в тепло. Это тепло рассеивается в окружающую среду.

Следовательно: .

Чтобы сохранить равенство напоров в любом сечении потока в правую часть уравнения Бернулли следует добавить член, учитывающий потерю напора:

 

- потери напора на трение,  - потери напора на преодоление местных сопротивлений (повороты, расширения, вентили, краны и т.д.)

С помощью уравнения Бернулли можно определить необходимый напор для того, чтобы жидкость транспортировалась по данному каналу с заданной скоростью.

Для транспорта жидкости используются насосы. Основными параметрами насосов являются: производительность (м³/с), напор (м). полезная мощность. Насосы бывают различных видов: поршневые, винтовые, пластинчатые, центробежные, вихревые и другие. Классифицируются: на объемные и динамические. В химической промышленности широко применяются сжатие и транспортирование больших потоков газов. Для этого используют компрессоры, которые подразделяются на объемные и динамические.

Законы сохранения

(Теоретическим фундаментом науки о процессах и аппаратах химических технологий является следующие основные законы природы).

Законы сохранения массы, энергии и импульса.

 Эти законы допускают только такие превращения, при которых суммы массы, энергии и импульса внутри системы остаются неизменными .Эти законы принимают форму уравнений балансов (материальных, тепловых).