Закони збереження маси та енергії.

Закони збереження маси та енергії, відкриті М.В. Ломоносовим, Лавуазьє, Майєром та Джоулем, грають в науці о процесах та апаратах основну роль. Вини встановлюють, що в природі та техніці мають місце тільки такі перетворення, при яких маса та енергія усередині системи залишаються незмінними. В науці о процесах та апаратах ці закони здобувають форму матеріальних і енергетичних балансів.

Матеріальний баланс, заснований на законі збереження маси, складають для визначення витрати вихідних речовин чи виходу готових продуктів.

 

Для систем, що знаходяться в русі (потокових систем), закон зберігання маси представляється рівнянням нерозривності. Для двох перетинів апарата F₁ та F₂ (мал. 1)з швидкостями потоку w₁ та w₂, має силу рівняння нерозривності

 

F₁w₁ =F₂w₂, (1.1)

 

де F₁ – перетин більшого діаметру, м²;

F₂ – перетин меншого діаметру, м²;

w₁ – швидкість в більшому перетині, м/с;

w₂ – швидкість в меншому перетині, м/с.

Кожна речовина, вхідне в апарат, є носієм визначеної кількості енергії. Допустимо, що ця енергія виражається в теплових одиницях. Крім того, в апарат може бути введена енергія зовні Q_п, наприклад шляхом електричного підігріву.

При протіканні процесу частина теплоти Q_пот втрачається в навколишній простір (мал. 2). На основі закону збереження енергії можливо написати таке рівняння:

 

Q_А +Q_В +Q_С +Q_п =Q_D +Q_Е +Q_пот, (1.2)

 

де Q_А – теплота, введена з компонентом А, Вт;

Q_В – теплота, введена з компонентом В, Вт;

Q_С – теплота, введена з компонентом С, Вт;

Q_п – теплота, введена зовні, Вт;

Q_D – теплота, відведена з компонентом D, Вт;

Q_Е – теплота, відведена з компонентом Е, Вт;

Q_пот – теплота, втрачена в навколишній простір, Вт.

Рівняння (1.2) називається рівнянням енергетичного балансу. В частковому випадку воно називається рівнянням теплового балансу.

Рівняння матеріального і теплового балансу лежать в основі вивчення кожного технологічного процесу.

 

Закони рівноваги системи.

Умови рівноваги системи, що характеризує так звану статику процесу, можна визначити по другому закону термодинаміки, законам фазової рівноваги та інші.

Фаза – визначена кількість речовини, фізично однорідне в усієї масі.

Оброблювані в апараті матеріали піддаються гідромеханічному, тепловому чи фізико-хімічному впливу, причому цей процес протікає до установлення в системі рівноваги. Якщо система не знаходиться в становищі рівновазі, то рушійна сила процесу, що показує відхилення системи від становища рівноваги, завжди прагне привести систему до рівноваги, при цьому чим більш рушійна сила, тим вище швидкість чи так звана кінетика процесу.

Поняття «рушійна сила» є основним при розгляді кожного процесу. Вона представляє собою якусь різницю потенціалів, характерну для кожного виду процесів.

Оброблювані в апараті матеріали піддаються гидромеханическому. тепловій або фізико-хімічній дії, причому цей процес протікає до встановлення в системі рівноваги. Так, при нагріванні тепло передається від більше нагрітого тіла до менш нагрітого до встановлення рівності температур; цукор або сіль розчиняються у воді до утворення насиченого розчину і так далі

Якщо система не знаходиться в стані рівноваги, то рушійна сила процесу, що показує відхилення системи від стану рівноваги, завжди прагне привести систему до рівноваги, при цьому чим більше рушійна сила, тим вище швидкість або так звана кінетика процесу.

Під швидкістю процесу розуміють об'єм потоку рідини або газу, кількість тепла або речовини, що передається в апараті через одиницю площі в одиницю часу. Кінетика процесів (окрім механічних), що вивчаються, виражається наступним загальним законом: швидкість процесу прямо пропорційна рушійній силі і обернено пропорційна до опору.

Відповідно до цього закону і приведеної вище класифікації процесів можна написати наступні кінетичні рівняння:

1. При прямуванні об’єму V рідини або газу через живий переріз F апарата за час τ

 

(1.3)

 

де Δ Р – перепад тисків в апарату – рушійна сила гідромеханічних процесів;

R ₁ – гідравлічний опір апарата;

К ₁ = 1 / R ₁ – коефіцієнт швидкості.

2. При передачі кількості тепла Q через поверхню F теплообміну за час τ

 

(1.4)

 

де Δ t – різниця між температурами середовищ – рушійна сила теплових процесів;

R ₂ – термічний опір;

К ₂ = 1 / R ₂ – коефіцієнт теплопередачі.

3. При переносі маси М речовини з однієї фази в іншу через поверхню F контакту фаз за час τ

(1.5)

де Δ с – різниця концентрацій перехідного речовини у фазах – рушійна сила масообмінних процесів;

R ₃ – опір при масопередачі;

К ₃ = 1 / R ₃ – коефіцієнт масопередачі.