|
Muvozanat qonunlari
Sistemalardagi termodinamik muvozanat qonunlari fizik kimyo va termodinamika kurslarida batafsil o’rganiladi. Jarayonlar va apparatlar fanini o’rganish paytida bu qonunlar tahlil etilayotgan texnologik jarayonning yo’nalishi va uni harakatlantiruvchi kuch qiymatini aniqlash maqsadida qo’llaniladi.
Muvozanat holatidagi sistemani tavsiflovchi parametrlar (masalan, harorat, bosim) qiymatlari uning barcha qismlarida vaqt bo’yicha o’zgarmas bo’ladi. Ammo, texnologik jarayonning asosiy maqsadi - ushbu jarayonda qatnashuvchi moddalarning makroskopik xususiyatlarini (agregat holati, tarkibi va b.) oldindan belgilangan yo’nalishda o’zgartirish, ya’ni sistemani muvozanatdan chiqarishdir. Buning uchun sistemaga biron-bir tashqi kuch ta’sir ettiriladi (masalan, bug’ bilan qizdirish, bosim ostida filtrlash va x.). Bunday tashqi ta’sir ostida substantsiya (energiya, massa) o’tkazish jarayoni kuzatiladi. Sistemaning dinamik (o’zgaruvchan) muvozanati uning chegaraviy holatini tavsiflaydi. Sistemaning chegaraviy holatlarida, uning muvozanat holatidagidek, substantsiya o’tkazish kuzatilmaydi.
Ikkita va undan ortiq fazalardan iborat bo’lgan yopiq sistemada bir fazadan ikkinchi fazaga massa uzatish jarayoni tabiiy, o’z-o’zidan yuzaga keladi. Ushbu jarayon mavjud sharoitda (bosim va haroratda) fazalar aro o’zgaruvchan muvozanat o’rnatilgunga davom etadi. Bu paytda, ma’lum vaqt birligi ichida, bir fazadan ikkinchi fazaga qancha modda molekulasi o’tsa, ikkinchi fazadan birinchi fazaga ham shuncha miqdorda molekula teskari yo’nalishda o’tadi. SHu tariqa muvozanatga erishgan sistema juda uzoq vaqt, to biron-bir tashqi kuch ta’sir etguncha, ushbu muvozanat holatida bo’ladi.
SHunday qilib, muvozanatdagi yopiq sistema holati uning ichki sharoitlari bilangina tavsiflanadi. SHu sababdan harorat t va bosim R gradientlari va ular ta’sirida yuzaga keluvchi oqimlar harakati nulga teng bo’ladi:
dt = 0; dP = 0; dk = 0 , (2-13)
bu yerda k- harakatlantiruvchi kuch, masalan, kimyoviy potentsial.
Barcha tabiiy, o’z-o’zidan yuzaga keluvchi, jarayonlar muvozanatga intiladi. Bunda sistema (jarayon) muvozanat holatidan qanchalik katta darajada chetlashtirilsa, uning harakatlantiruvchi kuchi ham shunchalik katta (intensiv) bo’ladi. SHu sababdan, fazalar o’rtasida substantsiya o’tkazish jarayoni ham shunga mos ravishda tezlashadi. Fazalar aro substantsiya uzatish jarayonini muvozanatga intilishiga yo’l qo’ymaslik (asosiy maqsad) uchun sistemaga modda yoki energiya (issiqlik) beriladi. Ochiq sistemalarda substantsiya oqimlarining o’zaro nisbiy harakatini qarama-qarshi, parallel va boshqa kombinatsiyalashgan yo’nalishlarda tashkil etish tufayli bunday maqsadlarga erishiladi.
Termodinamikani ikkinchi qonuniga binoan tabiiy jarayonlar mobaynida sistemaning entropiyasi S ortib boradi. Sistemaning kimyoviy muvozanati sharoitlarida entropiya maksimal qiymatga ega bo’ladi. SHundan so’ng entropiya o’zgarishi kuzatilmaydi, ya’ni:
dS = 0. (2-14)
SHunday qilib, dt=0, dP=0, dk=0, dS=0 tenglamalari har qanday kimyoviy texnologik sistemaning muvozanat shartlarini belgilaydi.
Fazalar qoidasi. “Faza” tushunchasi kimyoviy tarkibi va fizikaviy xossalari bo’yicha bir jinsli bo’lgan moddaning termodinamik sistemadagi miqdorini bildiradi. Fazalar gaz, suyuqlik va qattiq jism holatida bo’ladi. Odatda faza bir yoki bir necha komponentdan iborat bo’ladi. Sistema tarkibida biron-bir fazani hosil bo’lishi yoki sistemadagi mavjud fazalarning o’zaro muvozanati aniq sharoitlardagina mumkin bo’ladi. Bu sharoitlarni o’zgarishi tufayli sistemaning muvozanat holati buziladi. Natijada fazalarni siljishi yoki moddani bir fazadan ikkinchisiga o’tishi kuzatiladi.
Fazalarning o’zaro muvozanati fazalar qoidasi (Gibbsning fazalar muvozanati qonuni) bilan aniqlanadi
S + F = K + n , (2-15)
bu yerda S- erkinlik darajasi soni; F- sistemadagi fazalar soni; K- sistemaning tarkibiy komponentlari soni; n- sistemaning muvozanat holatiga ta’sir etuvchi tashqi omillar (kuchlar) soni.
Erkinlik darajasi soni - sistemaning muvozanat holatini saqlagan holatda, uning ishchi parametrlarini bir-biridan bog’liq bo’lmagan holda o’zgartirilishi mumkin bo’lgan sonini ko’rsatadi.
Massa o’tkazish jarayonlari uchun n=2, chunki jarayon muvozanatiga ikkita tashqi omil – harorat va bosim o’z ta’sirini ko’rsatadi. Bu holda fazalar qoidasining ifodasi quyidagi ko’rinishda bo’ladi
S + F = K + 2
yoki sistemaning erkinlik darajasi
S = K - F + 2 (2-16)
shaklida ifodalanadi.
Oxirgi (2-16) tenglamaga asosan, fazalar qoidasi sistemaning fazaviy muvozanat holatini saqlagan holda o’zgartirilishi mumkin bo’lgan parametrlar sonini aniqlashga imkon beradi.
Ayrim sistemalarning erkinlik darajasini aniqlashga doir misollarni ko’rib chiqamiz. Misol uchun, bir komponentli (K=1) ikki fazadan (F=2) iborat «gaz-suyuqlik» sistemasini erkinlik darajasi S= K-F+2= 1-2+2= 1 bo’ladi. Bunday sistemaga yaqqol misol qilib ma’lumotnomalarda keltiriladigan to’yingan suv bug’i harorati va bosimi o’rtasidagi termodinamik bog’liqlikni (jadval shaklida) keltirish mumkin. Bunda bug’ bosimi yoki harorati ma’lum bo’lsa, uning qolgan barcha parametrlari qiymatlarini aniqlash mumkin bo’ladi. Suvning kritik holatdagi (R=6.106 Pa, t=0.0076oS) muvozanati (muz-suv-bug’) uchun (K=1,F=3) erkinlik darajasi
S= K-F+2= 1-3+2= 0.
Etil spirti va suv aralashmasini rektifikatsiya qilish jarayonida komponentlar soni n=2 (spirt va suv), fazalar soni ham ikkita F=2 (bug’ va suyuqlik). Bunday holatda jarayonning erkinlik darajasi S= K-F+2= 2-2+2= 2.
Ushbu sistema holatini tavsiflovchi kattaliklar qatoriga spirt bug’lari bosimi, suyuq holatdagi spirt harorati va suyuqlikdagi spirt kontsentratsiyasi kiradi. Mazkur parametrlardan ixtiyoriy bittasining, masalan, rektifikatsiya kolonnasidagi ishchi bosimning, o’zgarmas qiymatida spirt kontsentratsiyasi va jarayon harorati orasidagi bog’liqlikka ega bo’lamiz. Bu paytda haroratni boshqarish tufayli yuqori quvvatli spirt olish mumkin bo’ladi.
SHunday qilib, fazalar qoidasi (umumiy holda muvozanat qonunlari) fizikaviy, kimyoviy, biologik va boshqa sistemalarga ham taalluqlidir. Ammo muvozanat qonunlari turli sistemalarda turlicha namoyon bo’ladi.
Do'stlaringiz bilan baham: |
