Основные свойства газовых смесей

 

Под газовой смесью понимается смесь отдельных газов, не вступающих между собой ни в какие химические реакции. Каждый газ в смеси независимо от других газов полностью сохраняет все свои свойства и ведет себя так, как если бы он один занимал весь объем смеси. Молекулы газа создают давление на стенки сосуда, которое называется парциальным (частичным). Будем считать, что каждый отдельный газ, входящий в смесь, подчиняется уравнению состояния Клапейрона, т. е. он является идеальным газом.

Газовая смесь идеальных газов подчиняется закону Дальтона, который гласит: общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений отдельных газов, составляющих смесь:

 

                                   ,                       (3.1)

где , ,... – парциальные давления.

Парциальное давление – это давление, которое имел бы каждый газ, входящий в состав смеси, если бы этот газ находился один в том же количестве, в том же объеме и при той же температуре, что и в смеси.

Параметры газовой смеси могут быть вычислены по уравнению Клапейрона

,

где все величины, входящие в уравнение, относятся к смеси газов.

3.2. Способы задания состава и расчёт параметров смеси газов.

 

Газовая смесь может быть задана массовыми, объемными и мольными долями.

Массовой долей называется отношение массы каждого газа к общей массе смеси:

 

                      (3.2)

 

где , , …  – массовые доли; m ₁ m ₂,..., m_n – масса каждого газа;

m_см – масса всей смеси.

Сумма массовых долей равна единице:

 

.

 

Объемной долей называется отношение парциального (приведенного) объема каждого газа к общему объему смеси газов:

 

                            (3.3)

 

где r ₁, r ₂,... r_n – объемные доли; V ₁ V ₂,... V_n – парциальные (приведенные) объемы каждого газа; V_см – объем смеси газов.

Парциальным объемом газа называется объем, который занимал бы этот газ, если бы его температура и давление равнялись температуре и давлению смеси газов.

Общий объём смеси газов равен

.                             (3.4)

Сумма парциальных объемов газов, составляющих смесь, равна объему смеси газов.

Сумма объемных долей равна единице:

 

.

 

Задание смеси мольными долями равнозначно заданию её объемными долями.

Между удельными объемами, плотностями, молекулярными массами и газовыми постоянными какого-нибудь газа и всей смеси в целом на основании закона Авогадро и уравнения Клапейрона – Менделеева существует следующая зависимость:

 

                                           ,                               (3.5)

 

где  – плотность каждого газа; – плотность смеси газов; – молекулярная масса каждого газа; – молекулярная масса смеси газов.

Можно записать также, что

 

.                               (3.6)

 

Последнее соотношение позволяет составить несколько уравнений, для расчёта параметров газовой смеси.

 

Для перевода массовых долей в объемные пользуются формулой

 

                                                (3.7)

 

Объемные доли переводят в массовые по формуле

 

                                             (3.8)

 

Плотность смеси ρ_см, кг/м³, определяют из выражения

 

                                                       (3.9)

 

или, если известен массовый состав, по формуле

 

.                                              (3.10)

 

Удельный объем смеси представляет величину, обрат­ную ρ_см; поэтому, если дан объемный состав смеси, то

 

                                     (3.11)

 

Если же известен массовый состав, то

 

.                                              (3.12)

 

Из уравнения (3.9) легко получить значение так называемой кажущейся молекулярной массы газовой смеси

 

                                              (3.13)

 

или через массовый состав

 

                                            (3.14)

 

Газовую постоянную смеси газов (R _cм) можно выразить или через газовые постоянные отдельных компонентов, входящих в смесь, или через кажущуюся молекулярную массу смеси

 

                                            (3.15)

 

или

 

.                             (3.16)

 

Парциальные давления определяются проще всего, если известны объёмные доли отдельных компонентов входящих в смесь;

 

p₁ = p_см r₁, p₂ = p_см r₂ и т.д.

 

или вообще

 

p_i = Р_см ∙ r_i,                                                 (3.17)

 

где pi – парциальное давление любого газа, входящего в смесь.

 

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ