2. GAZY DOSKONAŁE I PÓŁDOSKONAŁE
Transcript of 2. GAZY DOSKONAŁE I PÓŁDOSKONAŁE
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 12
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
2 GAZY DOSKONAŁE I POacuteŁDOSKONAŁE
Gazy występujące w przyrodzie składają się z ogromnej ilości cząsteczek ktoacutere znajdują się
w ciągłym ruchu Cząsteczki wykonują ruchy translacyjne (przemieszczenia prostoliniowe)
rotacyjne (obrotowe) i oscylacyjne (drgania atomoacutew w cząsteczce) Cząsteczki mają pewną
objętość własną i oddziałują na siebie siłami wzajemnego przyciągania Cząsteczki zderzają się
między sobą tak że ich prędkości zmieniają się ciągle co do wielkości i kierunku Do
wyprowadzenia właściwości gazoacutew w oparciu o teorię kinetyczną przyjęto model mikroskopowy
gazu polegający na określeniu działań między cząsteczkami W najprostszym przypadku tzw
gazu doskonałego przyjmuje się że cząsteczki można traktować jako punkty materialne
podlegające prawom zderzenia kul doskonale sprężystych znanym z mechaniki a siły działające
między cząsteczkami na odległość można pominąć
Występowanie objętości własnej cząsteczek i sił wzajemnego oddziaływania sprawia że
właściwości termodynamiczne gazoacutew rzeczywistych są bardzo złożone Proste roacutewnania
termiczne (określające wzajemne zależności pomiędzy termicznymi parametrami stanu gazu
ktoacuterymi są ciśnienie temperatura objętość właściwa) i kanoniczne (określające zależność
energii wewnętrznej entalpii entropii od termicznych parametroacutew stanu) uzyskuje się dla
wyidealizowanego gazu doskonałego i poacutełdoskonałego
Gaz doskonały jest to hipotetyczny gaz ktoacuterego cząstki nie przyciągają się wzajemnie Są
nieskończenie małe i sztywne (nie występują drgania wewnątrz cząsteczek)
Gaz poacutełdoskonały roacuteżni się od doskonałego tym że w jego cząsteczkach występują
drgania Atomy wchodzące w skład cząsteczek są więc powiązane ze sobą sprężyście
Gaz rzeczywisty zachowuje się jak poacutełdoskonały pod dostatecznie niskim ciśnieniem
w miarę bowiem rozrzedzania gazu zmniejszają się siły wzajemnego przyciągania i zmniejsza
się wpływ własnej objętości cząsteczek
Jeżeli temperatura gazu nie jest zbyt wysoka to drgania atomoacutew w cząsteczkach są
niewielkie i gaz może być traktowany jak doskonały Wpływ drgań rośnie w miarę
komplikowania się budowy cząsteczek i w miarę podwyższania się temperatury W cząsteczkach
jednoatomowych (np Ar Ne He) drgania nie występują W gazach dwuatomowych (np H2 O2
N2 CO) wpływ drgań ujawnia się w temperaturach wynoszących kilkaset stopni Kelwina Jeżeli
cząsteczki gazu zawierają trzy lub więcej atomoacutew (np CO2 NH3 CH4) to zazwyczaj
w temperaturze 0ordm C wpływ drgań jest duży
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 22
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Niemal wszystkie gazy występujące w technice cieplnej można traktować jako doskonałe
i poacutełdoskonałe Wyjątek stanowią gazy pod wysokim ciśnieniem i pary np para wodna Na
właściwości wymienionych czynnikoacutew wyraźnie wpływa objętość własna cząstek i ich
wzajemne przyciąganie Dlatego te czynniki należy traktować jako gaz rzeczywisty
Prawa gazoacutew doskonałych i poacutełdoskonałych ustalono najpierw eksperymentalnie Poacuteźniej te
prawa wyprowadzono za pomocą teorii kinetyczno-molekularnej
21 Cechy charakterystyczne gazoacutew doskonałych
Gaz doskonały można zdefiniować jako gaz spełniający następujące prawa i zależności
- roacutewnanie stanu Clapeyrona ndash stan fizyczny danego gazu daje się całkowicie określić za pomocą
tylko trzech parametroacutew
objętości właściwej υ [m3kg]
ciśnienia p [Pa]
temperatury T [K]
- prawo Avogadra
- stałość ciepła właściwego (pojemności cieplnej)
Z punktu widzenia kinetyczno-molekularnej teorii budowy materii gaz można traktować
jako zbiorowisko jednakowych cząsteczek poruszających się ruchami bezładnymi w roacuteżnych
kierunkach i zderzających się ze sobą oraz ze ściankami naczynia w ktoacuterym zamknięty jest gaz
Jeżeli przeanalizować zachowanie się gazu z uwzględnieniem jego budowy cząsteczkowej to
wymienione prawa i zależności będą spełnione jeśli
- objętość wszystkich cząsteczek jest mała w poroacutewnaniu z całkowitą objętością zajmowaną
przez gaz
- między cząsteczkami nie zachodzi wzajemne oddziaływanie tzn nie ma sił między-
cząsteczkowych - gaz doskonały jest zatem nielepki
- obowiązuje zasada ekwipartycji energii czyli energia rozkłada się roacutewnomiernie na wszystkie
możliwe ruchy cząsteczki (ruch postępowy ruch obrotowy ruch drgający)
Z tej charakterystyki gazu doskonałego wynika że istotnie każdy gaz rzeczywisty będzie
zbliżał się swym zachowaniem do zachowania gazu doskonałego przy niskich ciśnieniach oraz
niezbyt wysokich temperaturach Jak wykazuje doświadczenie dla takich bardzo ważnych
w zastosowaniach technicznych gazoacutew jak powietrze dwutlenek węgla gazy spalinowe zakres
ciśnienia do 2 ndash 3 MPa oraz temperatury do kilkuset stopni stanowi obszar w ktoacuterym z dobrym
przybliżeniem mogą być stosowane zależności słuszne dla gazoacutew doskonałych
p
υ
T
=const
p
p
υ
T = const
v v
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 32
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
22 Prawa gazoacutew doskonałych
Prawo Gay-Lussaca Przy stałym ciśnieniu objętość właściwa zmienia się wraz
z temperaturą według zależności
)1(0 t (221)
gdzie vo [m3kg]ndash objętość właściwa gazu w temperaturze 0oC
K
1
273
1 - wspoacutełczynnik ściśliwości gazu (ustalony eksperymentalnie)
t ndash temperatura gazu wyrażona w oC
Dla dwoacutech stanoacutew w ktoacuterych ciśnienia gazu są jednakowe czyli p1 = p2 powyższa zależność
jest następująca
- stan 1 )1( 101 t
- stan 2
)1( 202 t
Po podzieleniu obu roacutewnań stronami otrzymuje się
1199071
1199072=
1199070(1 + 120573 ∙ 1199051)
1199070(1 + 120573 ∙ 1199052)=
1 +1
273 ∙ 1199051
1 +1
273 ∙ 1199052
=273 + 1199051
273 + 1199052
Wielkości t1 + 273 = T1 oraz t2 + 273 = T2 są temperaturami bezwzględnymi wyrażonymi
w kelwinach Ostatecznie więc jeśli p1 = p2
2
1
2
1
T
T
υ
υ (222)
Prawo Charlesa Przy stałej objętości właściwej ciśnienie gazu zmienia się wraz
z temperaturą według zależności
)1(0 tpp (223)
gdzie po ndash ciśnienie gazu w temperaturze 0oC
K
1
273
1 - wspoacutełczynnik ściśliwości gazu (ustalony eksperymentalnie)
t ndash temperatura gazu wyrażona w oC
Dla dwoacutech stanoacutew w ktoacuterych objętości właściwe gazu są jednakowe czyli v1 = v2 powyższa
zależność jest następująca
- stan 11199011 = 1199010(1 + 120573 ∙ 1199051)
- stan 2 1199012 = 1199010(1 + 120573 ∙ 1199052)
Po podzieleniu obu roacutewnań stronami otrzymuje się
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 42
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
G
az 1
G
az 2
p
1V1T1
P2 V2 T2
1199011
1199012=
1199010(1 + 120573 ∙ 1199051)
1199010(1 + 120573 ∙ 1199052)=
1 +1
273 ∙ 1199051
1 +1
273 ∙ 1199052
=273 + 1199051
273 + 1199052
Wielkości t1 + 273 = T1 oraz t2 + 273 = T2 są temperaturami bezwzględnymi wyrażonymi
w kelvinach Ostatecznie więc jeśli υ1 = υ2
2
1
2
1
T
T
p
p (224)
Prawo Boylersquoa i Mariotta Przy stałej temperaturze iloczyn ciśnienia i objętości
właściwej jest wielkością stałą
constυp
Dla dwoacutech stanoacutew w ktoacuterych temperatury gazu są jednakowe czyli T1 = T2 powyższa
zależność jest następująca
2211 υpυp (225)
Prawo Avogadra Jeśli ciśnienie i temperatura gazoacutew są jednakowe to w jednakowych
objętościach znajduje się taka sama ilość cząsteczek dowolnego gazu doskonałego
Jeśli ciśnienie p1= p2
temperatura T1=T2
objętość V1=V2
to ilość cząsteczek N1 = N2
Skoro liczby cząsteczek obu gazoacutew są sobie roacutewne N1 = N2 to liczby kilomoli też są sobie roacutewne
n1 = n2 a zatem
1198811
1198812=
1198991
1198992
Skąd
1198811
1198991=
1198812
1198992= ⋯ = 119888119900119899119904119905 = 119907120583 (226)
gdzie
kmol
m3
- kilomolowa objętość właściwa (objętość 1 kilomola gazu)
Kilomolowa objętość właściwa dowolnego gazu doskonałego zależy jedynie od
temperatury i ciśnienia nie zależy natomiast od rodzaju gazu
Gaz 1 Gaz 2
p1 V1 T1
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 52
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Uwzględniając w roacutewnaniu (226)
119881 = 119872 ∙ 119907 = 119899 ∙ 119872120583 ∙ 119907
1198811
1198991= 1198721205831 ∙ 1199071
1198812
1198992= 1198721205832 ∙ 1199072
gdzie M [kg] ndash masa gazu v[m3kg] ndash objętość właściwa Mmicro [kgkmol]-masa kilomolowa
otrzymuje się
1198721205831 ∙ 1199071 = 1198721205832 ∙ 1199072 = 119907120583
Iloczyn masy kilomolowej (cząsteczkowej względnej) przez objętość właściwą jest dla
dowolnego gazu doskonałego wielkością stałą zależną tylko od temperatury i ciśnienia
3
constkmol
mM
dla danych wartości p i T (227)
W normalnych warunkach fizycznych (pN = 101325 Pa TN = 273 K] ) kilomolowa
objętość właściwa dowolnego gazu doskonałego wynosi
kmol
mN
3
422
23 Roacutewnanie stanu gazoacutew doskonałych (roacutewnanie Clapeyrona)
Stan cieplny czynnika termodynamicznego (gazu) określają termiczne parametry stanu
ciśnienie temperatura i objętość właściwa Spośroacuted termicznych parametroacutew stanu tylko dwa
mogą zmieniać się niezależnie od siebie trzeci jest jednoznacznie określony przez dwa
pozostałe Roacutewnanie określające relacje pomiędzy parametrami stanu czynnika
termodynamicznego nazywa się termicznym roacutewnaniem stanu Roacutewnania określające zależność
energii wewnętrznej entalpii entropii od termicznych parametroacutew stanu są nazywane
kalorycznymi roacutewnaniami stanu
Do wyprowadzenia roacutewnania Clapeyrona i wielkości charakteryzujących gaz doskonały
wykorzystuje się roacutewnania opisujące w teorii kinetyczno-molekularnej zależność ciśnienia
i temperatury od prędkości liniowej cząsteczki
Ciśnienie jest następstwem uderzeń cząsteczek o ściany naczynia Przy zastosowaniu do
ruchu cząsteczek praw mechaniki można otrzymać zależność pomiędzy ciśnieniem gazu
doskonałego (poacutełdoskonałego) a prędkością liniową cząsteczek
2122
3
1
3
1
3
1wwwmNp d (231)
gdzie N ndash stężenie cząstek (liczba cząstek zawartych w jednostce objętości gazu) md ndash masa
cząsteczki w ndash średnia kwadratowa prędkość cząsteczki (kwadrat tej prędkości jest średnią
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 62
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
arytmetyczną kwadratoacutew prędkości poszczegoacutelnych cząsteczek) ρ ndash gęstość masy gazu υ ndash
objętość właściwa gazu
Temperatura jest parametrem stanu określającym zdolność do przekazywania ciepła
Temperatura t1 ciała pierwszego jest wyższa od temperatury t2 ciała drugiego jeżeli po ich
zetknięciu ciało pierwsze przekazuje ciepło do ciała drugiego Jeżeli pomiędzy dwoma
stykającymi się ciałami odizolowanymi od otoczenia nie występuje przepływ ciepła to ciała te
znajdują się między sobą w roacutewnowadze termicznej (mają tę samą temperaturę)
Jeżeli spośroacuted trzech układoacutew A B C znajdujących się w stanie wewnętrznej roacutewnowagi
termodynamicznej każdy z układoacutew A i B jest w roacutewnowadze termicznej z układem C to układy A
i B są ze sobą w roacutewnowadze termicznej (mają tę samą temperaturę) Przytoczone prawo zostało
sformułowane przez Maxwella i jest nazywane zerową zasadą termodynamiki
Aby znaleźć związek pomiędzy energią kinetyczną ruchu postępowego cząstek
a temperaturą przy stałym ciśnieniu można posłużyć się prawem Gay-Lussaca ktoacutere moacutewi że
przy stałym ciśnieniu objętość właściwa zmienia się wraz z temperaturą według zależności
t10 (232)
gdzie υo ndash objętość właściwa gazu w temperaturze 0ordm C β ndash termiczny wspoacutełczynnik
rozszerzalności termicznej gazu t ndash temperatura gazu wyrażona w ordmC
Wartość wspoacutełczynnika β gazoacutew doskonałych ustalono eksperymentalnie ekstrapolując do
ciśnienia p = 0 wyniki doświadczeń przeprowadzonych na rozrzedzonych gazach rzeczywistych
K
1
27315
1
K
10003661β (233)
Stąd
27315
Tυ
27315
t27315υυ
00
(234)
Temperatura T została nazwana temperatura bezwzględną t27315T
Energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki wynosi 2
2
d
kd
mwE
Prędkość cząsteczki w można wyznaczyć podstawiając zależność (234) do przekształconego
roacutewnania (231)
27315
Tυp3υp3w 02
Energia kinetyczna ruchu postępowego cząstki wynosi zatem
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 72
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TkTmpmw
E ddkd
2
3
152732
3
2
0
2 (235)
Przy stałym ciśnieniu energia kinetyczna ruchu postępowego cząstek zmienia się więc liniowo
z temperaturą Wniosek ten można uogoacutelnić za pomocą teorii molekularnej z ktoacuterej wynika że
przepływ ciepła pomiędzy dwoma gazami trwa do chwili gdy średnie energie kinetyczne ruchu
postępowego cząstek tych gazoacutew zroacutewnają się
212
2
21
2
1
22TTgdy
mwmw dd
W tej samej temperaturze średnia energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki gazu
nie zależy od ciśnienia i rodzaju gazu Stąd dochodzi się do wniosku że średnia energia
kinetyczna ruchu postępowego cząsteczek gazu jest wprost proporcjonalna do temperatury
bezwzględnej i że wspoacutełczynnik k w roacutewnaniu (235) jest stałą uniwersalną - nazywa się ją stałą
Boltzmanna
k = 138053 10-26 kJK
Z roacutewnań (231) i (235) wynika
Tm
kwp
d
2
3
1
Tm
kp
d
(236)
lub
TRυp (237)
gdzie
constm
kR
d
nazywa się indywidualną stałą gazową Roacutewnanie (237) zwane roacutewnież roacutewnaniem
Clapeyrona wyraża termiczne roacutewnanie stanu gazoacutew doskonałych i poacutełdoskonałych Nosi też
nazwę roacutewnania stanu gazu
Po pomnożeniu obydwu stron roacutewnania (236) przez masę kilomolową Mμ otrzymuje się
Tm
MkMT
m
kMp
dd
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 82
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W tym roacutewnaniu
M kilomolowa objętośćwłaściwa [m3kmol]
dm
M
liczba Avogadra
A zatem (po uwzględnieniu jednostek)
RKkmol
J
m
Mk
d
783141002283610380531 2626 (238)
Kkmol
JR
78314 - uniwersalna stała gazowa
czyli
TRυp μ (239)
Zapisując roacutewnanie (238) następująco
MRM
m
k
m
MkR
dd
uzyskuje się inny najczęściej wykorzystywany zapis indywidualnej stałej gazowej
Kkg
J
M
RR
(2310)
Inne postaci roacutewnania Clapeyrona
Po pomnożeniu przez masę M obydwu stron roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
otrzymuje się
TRMMp
czyli
TRMVp (2311)
Po podstawieniu do powyższego roacutewnania
M
RRorazMnM
otrzymuje się
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 92
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TRnTM
RMnVp
a zatem
TRnVp (2312)
Podstawiając do roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
następującą zależność
1
gdzie ρ [kgm3] ndash gęstość
120588 =119872
119881 [
119896119892
1198983]
otrzymuje się
TRρp (2313)
Obliczenie kilomolowej objętości właściwej w normalnych warunkach fizycznych
TRp
stąd
kmol
m
Pa
KKkmol
J
p
TR
N
NN
3
422101325
2738315
Przykład
Dwutlenek węgla CO2 w ilości 66 kg znajduje się pod ciśnieniem bezwzględnym 05 MPa
w temperaturze 57degC Wyznaczyć objętość zajmowaną przez gaz ilość kilomoli oraz objętość
właściwą i gęstość po uprzednim obliczeniu kilomolowej objętości właściwej
Rozwiązanie
a Objętość można wyznaczyć z roacutewnania stanu w postaci (2311)
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877 ∙ 119879
Indywidualna stała gazowa CO2 wynosi (2310)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 102
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
119877 =
119872120583=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
44 119896119892
119896119898119900119897
= 189 119869
119896119892 ∙ 119870
gdzie 119872120583 = 12 + 32 = 44 119896119892
119896119898119900119897minus masa kilomolowa CO2
119881 =119872 ∙ 119877 ∙ 119879
119901=
66 119896119892 ∙ 189119869
119896119892 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119875119886= 824 1198983
b Ilość kilomoli
119899 =119872
119872120583=
66 119896119892
44119896119892
119896119898119900119897
= 15 119896119898119900119897
c Kilomolowa objętość właściwa z roacutewnania (239)
TRυp μ
119907120583 = ∙ 119879
119901=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119872119875119886= 55
1198983
119896119898119900119897
d Objętość właściwa z zależności (226)
119907 =119907120583
119872120583=
551198983
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0125 1198983
119896119892
e Gęstość
120588 =1
119907=
1
01251198983
119896119892
= 8119896119892
1198983
24 Mieszaniny gazoacutew doskonałych
W technice często spotyka się mieszaniny (roztwory) gazoacutew czego przykładem jest
powietrze zawierające wiele gazoacutew jednorodnych Innym bardzo typowym rodzajem
mieszaniny gazoacutew są spaliny otrzymane po spaleniu paliwa
Gazy mają tę charakterystyczną właściwość że mieszają się zawsze ze sobą w dowolnych
proporcjach wskutek dyfuzji przy czym po dostatecznie długim czasie ustala się stan
roacutewnowagi w ktoacuterym skład mieszaniny jest jednorodny w całej masie gazu
Roztwoacuter gazoacutew doskonałych można traktować jako jednorodny gaz doskonały jeśli do
roacutewnań stanu wprowadzi się zastępczą stałą gazową Rm oraz określi zastępczą masę molową
Mμm i zastępczą pojemność cieplną
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 112
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
241 Skład mieszaniny
Rys 241 Przykład mieszaniny gazoacutew
W zbiorniku (rys 241) znajduje się mieszanina (roztwoacuter) kilku gazoacutew doskonałych (np1-
atomowy gaz A (czerwony) - 2-atomowy gaz B (niebieski) 3-atomowy gaz C (zielony)
Objętość zbiornika wynosi V [m3] ciśnienie gazu w zbiorniku wynosi p [Pa] a temperatura
T [K] Masa mieszaniny wynosi Mm [kg]
Masa mieszaniny Mm jest sumą mas tworzących ją gazoacutew a więc
CBAm MMMM
Ilość cząstek gazu w mieszaninie jest sumą cząstek tworzących ją gazoacutew a zatem liczba
kilomoli mieszaniny nm będzie roacutewnież sumą liczb kilomoli tworzących ją gazoacutew
CBAm nnnn
Skład mieszaniny określa się za pomocą udziałoacutew masowych (kilogramowych
gramowych) kilomolowych (molowych) lub objętościowych
Udział masowy gi - jest to stosunek masy danego składnika mieszaniny do masy mieszaniny
1gM
Mg
i
i
m
ii (241)
gdzie Mi ndash masa danego składnika mieszaniny (i = A B C) Mm ndash masa mieszaniny
(roztworu)
Udział molowy zi - jest to stosunek liczby kilomoli danego składnika do liczby kilomoli
mieszaniny
i
i
m
ii 1zn
nz (242)
gdzie ni ndash liczba kilomoli danego składnika mieszaniny nm ndash liczba kilomoli mieszaniny
p T V
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 122
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Udział objętościowy
Wyobraźmy sobie że cząsteczki gazoacutew tworzących roztwoacuter (rys242a) zostały
w zbiorniku rozdzielone tak że każdy gaz zajmuje pewną objętość zbiornika ale ciśnienie
i temperatura każdego gazu są takie same jak ciśnienie i temperatura roztworu (rys 242b)
W zbiorniku panuje nadal ciśnienie p i temperatura T zbiornik nadal ma objętość V Masa gazoacutew
w zbiorniku nadal wynosi Mm Każdy gaz tworzący roztwoacuter zajmuje pewną część zbiornika
o objętości Vi w ktoacuterej roacutewnież panuje ciśnienie p i temperatura T
a) b)
Rys 242 Mieszanina gazoacutew ndash a) gazy rozdzielone - b)
Można zatem napisać
VVVV CBA
Stosunek objętości każdego składnika do objętości roztworu jest nazywany udziałem
objętościowym
i
ii
i 1rV
Vr (243)
Powyższa zależność tylko wtedy jest prawdziwa gdy zaroacutewno objętości Vi jak i objętość V
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i w tej samej temperaturze
Dla podkreślenia ważności tego warunku stosuje się często następujący zapis udziału
objętościowego
119903119894 = (119881119894
119881)
119901119879
p T p T p T
VB VA VC
VCVBVAV
p T V
p
T
VA
MA
p
T
VB
MB
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 132
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W przypadku gazoacutew doskonałych udział objętościowy jest identyczny z udziałem kilomolowym
(molowym)
ii zr
n
n
n
n
V
V i
m
iii
(244)
mi - objętości kilomolowe gazoacutew doskonałych w tej samej temperaturze i przy tym
samym ciśnieniu są jednakowe (wynika z prawa Avogadra)
242 Parametry mieszaniny
Masa mieszaniny
CBAm MMMM
Liczba kilomoli mieszaniny
CBAm nnnn
Objętość mieszaniny
VVVV CBA - pod warunkiem że wszystkie objętości
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i przy tej samej temperaturze (rys 242)
Indywidualna stała gazowa mieszaniny
Napiszemy roacutewnania stanu gazu dla każdego gazu zajmującego osobną objętość (rys 242b)
gaz A TRnTRMVp AAAA
gaz B TRnTRMVp BBBB (245)
gaz C TRnTRMVp CCCC
Dodajemy pierwszą i drugą kolumnę wszystkich roacutewnań
T)RMRMRM(VVVp CCBBAACBA
Uwzględniając w powyższym roacutewnaniu
mii
m
ii MgM
M
Mg oraz VVVV CBA
otrzymamy
TRMTRgRgRgMVp mmCCBBAAm )(
gdzie
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 142
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
CCBBAAm RgRgRgR (246)
Rm - indywidualna stała gazowa mieszaniny (można ją roacutewnież wyznaczyć z zależności (2413)
Roacutewnanie stanu mieszaniny można zatem zapisać następująco
TRMVp mm (247)
Dodając pierwszą i trzecią kolumnę roacutewnań (245) otrzymamy
TR)nnn(VVVp CBACBA
gdzie VVVV CBA - objętość mieszaniny
CBAm nnnn - liczba kilomoli mieszaniny
a zatem roacutewnanie stanu mieszaniny można zapisać roacutewnież następująco
TRnVp m (248)
lub TRp m (249)
Zapis roacutewnania stanu gazu dla mieszaniny w postaci (247) (248) i (249) niczym nie
roacuteżni się od zapisu roacutewnania stanu gazu dla pojedynczego gazu Roacuteżni je sposoacuteb wyznaczania
indywidualnej stałej gazowej masy objętości i liczby kilomoli
Objętość właściwa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
m
gggM
M
M
M
M
M
M
MMM
M
VVV
M
V
CCBBAAm gυgυgυυ (2410)
Gęstość mieszaniny
CCBBAAC
CB
BA
A
CCBBAACBAmm
rrrV
V
V
V
V
V
V
VVV
V
MMM
V
M
CCBBAAm rρrρrρρ (2411)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 22
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Niemal wszystkie gazy występujące w technice cieplnej można traktować jako doskonałe
i poacutełdoskonałe Wyjątek stanowią gazy pod wysokim ciśnieniem i pary np para wodna Na
właściwości wymienionych czynnikoacutew wyraźnie wpływa objętość własna cząstek i ich
wzajemne przyciąganie Dlatego te czynniki należy traktować jako gaz rzeczywisty
Prawa gazoacutew doskonałych i poacutełdoskonałych ustalono najpierw eksperymentalnie Poacuteźniej te
prawa wyprowadzono za pomocą teorii kinetyczno-molekularnej
21 Cechy charakterystyczne gazoacutew doskonałych
Gaz doskonały można zdefiniować jako gaz spełniający następujące prawa i zależności
- roacutewnanie stanu Clapeyrona ndash stan fizyczny danego gazu daje się całkowicie określić za pomocą
tylko trzech parametroacutew
objętości właściwej υ [m3kg]
ciśnienia p [Pa]
temperatury T [K]
- prawo Avogadra
- stałość ciepła właściwego (pojemności cieplnej)
Z punktu widzenia kinetyczno-molekularnej teorii budowy materii gaz można traktować
jako zbiorowisko jednakowych cząsteczek poruszających się ruchami bezładnymi w roacuteżnych
kierunkach i zderzających się ze sobą oraz ze ściankami naczynia w ktoacuterym zamknięty jest gaz
Jeżeli przeanalizować zachowanie się gazu z uwzględnieniem jego budowy cząsteczkowej to
wymienione prawa i zależności będą spełnione jeśli
- objętość wszystkich cząsteczek jest mała w poroacutewnaniu z całkowitą objętością zajmowaną
przez gaz
- między cząsteczkami nie zachodzi wzajemne oddziaływanie tzn nie ma sił między-
cząsteczkowych - gaz doskonały jest zatem nielepki
- obowiązuje zasada ekwipartycji energii czyli energia rozkłada się roacutewnomiernie na wszystkie
możliwe ruchy cząsteczki (ruch postępowy ruch obrotowy ruch drgający)
Z tej charakterystyki gazu doskonałego wynika że istotnie każdy gaz rzeczywisty będzie
zbliżał się swym zachowaniem do zachowania gazu doskonałego przy niskich ciśnieniach oraz
niezbyt wysokich temperaturach Jak wykazuje doświadczenie dla takich bardzo ważnych
w zastosowaniach technicznych gazoacutew jak powietrze dwutlenek węgla gazy spalinowe zakres
ciśnienia do 2 ndash 3 MPa oraz temperatury do kilkuset stopni stanowi obszar w ktoacuterym z dobrym
przybliżeniem mogą być stosowane zależności słuszne dla gazoacutew doskonałych
p
υ
T
=const
p
p
υ
T = const
v v
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 32
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
22 Prawa gazoacutew doskonałych
Prawo Gay-Lussaca Przy stałym ciśnieniu objętość właściwa zmienia się wraz
z temperaturą według zależności
)1(0 t (221)
gdzie vo [m3kg]ndash objętość właściwa gazu w temperaturze 0oC
K
1
273
1 - wspoacutełczynnik ściśliwości gazu (ustalony eksperymentalnie)
t ndash temperatura gazu wyrażona w oC
Dla dwoacutech stanoacutew w ktoacuterych ciśnienia gazu są jednakowe czyli p1 = p2 powyższa zależność
jest następująca
- stan 1 )1( 101 t
- stan 2
)1( 202 t
Po podzieleniu obu roacutewnań stronami otrzymuje się
1199071
1199072=
1199070(1 + 120573 ∙ 1199051)
1199070(1 + 120573 ∙ 1199052)=
1 +1
273 ∙ 1199051
1 +1
273 ∙ 1199052
=273 + 1199051
273 + 1199052
Wielkości t1 + 273 = T1 oraz t2 + 273 = T2 są temperaturami bezwzględnymi wyrażonymi
w kelwinach Ostatecznie więc jeśli p1 = p2
2
1
2
1
T
T
υ
υ (222)
Prawo Charlesa Przy stałej objętości właściwej ciśnienie gazu zmienia się wraz
z temperaturą według zależności
)1(0 tpp (223)
gdzie po ndash ciśnienie gazu w temperaturze 0oC
K
1
273
1 - wspoacutełczynnik ściśliwości gazu (ustalony eksperymentalnie)
t ndash temperatura gazu wyrażona w oC
Dla dwoacutech stanoacutew w ktoacuterych objętości właściwe gazu są jednakowe czyli v1 = v2 powyższa
zależność jest następująca
- stan 11199011 = 1199010(1 + 120573 ∙ 1199051)
- stan 2 1199012 = 1199010(1 + 120573 ∙ 1199052)
Po podzieleniu obu roacutewnań stronami otrzymuje się
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 42
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
G
az 1
G
az 2
p
1V1T1
P2 V2 T2
1199011
1199012=
1199010(1 + 120573 ∙ 1199051)
1199010(1 + 120573 ∙ 1199052)=
1 +1
273 ∙ 1199051
1 +1
273 ∙ 1199052
=273 + 1199051
273 + 1199052
Wielkości t1 + 273 = T1 oraz t2 + 273 = T2 są temperaturami bezwzględnymi wyrażonymi
w kelvinach Ostatecznie więc jeśli υ1 = υ2
2
1
2
1
T
T
p
p (224)
Prawo Boylersquoa i Mariotta Przy stałej temperaturze iloczyn ciśnienia i objętości
właściwej jest wielkością stałą
constυp
Dla dwoacutech stanoacutew w ktoacuterych temperatury gazu są jednakowe czyli T1 = T2 powyższa
zależność jest następująca
2211 υpυp (225)
Prawo Avogadra Jeśli ciśnienie i temperatura gazoacutew są jednakowe to w jednakowych
objętościach znajduje się taka sama ilość cząsteczek dowolnego gazu doskonałego
Jeśli ciśnienie p1= p2
temperatura T1=T2
objętość V1=V2
to ilość cząsteczek N1 = N2
Skoro liczby cząsteczek obu gazoacutew są sobie roacutewne N1 = N2 to liczby kilomoli też są sobie roacutewne
n1 = n2 a zatem
1198811
1198812=
1198991
1198992
Skąd
1198811
1198991=
1198812
1198992= ⋯ = 119888119900119899119904119905 = 119907120583 (226)
gdzie
kmol
m3
- kilomolowa objętość właściwa (objętość 1 kilomola gazu)
Kilomolowa objętość właściwa dowolnego gazu doskonałego zależy jedynie od
temperatury i ciśnienia nie zależy natomiast od rodzaju gazu
Gaz 1 Gaz 2
p1 V1 T1
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 52
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Uwzględniając w roacutewnaniu (226)
119881 = 119872 ∙ 119907 = 119899 ∙ 119872120583 ∙ 119907
1198811
1198991= 1198721205831 ∙ 1199071
1198812
1198992= 1198721205832 ∙ 1199072
gdzie M [kg] ndash masa gazu v[m3kg] ndash objętość właściwa Mmicro [kgkmol]-masa kilomolowa
otrzymuje się
1198721205831 ∙ 1199071 = 1198721205832 ∙ 1199072 = 119907120583
Iloczyn masy kilomolowej (cząsteczkowej względnej) przez objętość właściwą jest dla
dowolnego gazu doskonałego wielkością stałą zależną tylko od temperatury i ciśnienia
3
constkmol
mM
dla danych wartości p i T (227)
W normalnych warunkach fizycznych (pN = 101325 Pa TN = 273 K] ) kilomolowa
objętość właściwa dowolnego gazu doskonałego wynosi
kmol
mN
3
422
23 Roacutewnanie stanu gazoacutew doskonałych (roacutewnanie Clapeyrona)
Stan cieplny czynnika termodynamicznego (gazu) określają termiczne parametry stanu
ciśnienie temperatura i objętość właściwa Spośroacuted termicznych parametroacutew stanu tylko dwa
mogą zmieniać się niezależnie od siebie trzeci jest jednoznacznie określony przez dwa
pozostałe Roacutewnanie określające relacje pomiędzy parametrami stanu czynnika
termodynamicznego nazywa się termicznym roacutewnaniem stanu Roacutewnania określające zależność
energii wewnętrznej entalpii entropii od termicznych parametroacutew stanu są nazywane
kalorycznymi roacutewnaniami stanu
Do wyprowadzenia roacutewnania Clapeyrona i wielkości charakteryzujących gaz doskonały
wykorzystuje się roacutewnania opisujące w teorii kinetyczno-molekularnej zależność ciśnienia
i temperatury od prędkości liniowej cząsteczki
Ciśnienie jest następstwem uderzeń cząsteczek o ściany naczynia Przy zastosowaniu do
ruchu cząsteczek praw mechaniki można otrzymać zależność pomiędzy ciśnieniem gazu
doskonałego (poacutełdoskonałego) a prędkością liniową cząsteczek
2122
3
1
3
1
3
1wwwmNp d (231)
gdzie N ndash stężenie cząstek (liczba cząstek zawartych w jednostce objętości gazu) md ndash masa
cząsteczki w ndash średnia kwadratowa prędkość cząsteczki (kwadrat tej prędkości jest średnią
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 62
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
arytmetyczną kwadratoacutew prędkości poszczegoacutelnych cząsteczek) ρ ndash gęstość masy gazu υ ndash
objętość właściwa gazu
Temperatura jest parametrem stanu określającym zdolność do przekazywania ciepła
Temperatura t1 ciała pierwszego jest wyższa od temperatury t2 ciała drugiego jeżeli po ich
zetknięciu ciało pierwsze przekazuje ciepło do ciała drugiego Jeżeli pomiędzy dwoma
stykającymi się ciałami odizolowanymi od otoczenia nie występuje przepływ ciepła to ciała te
znajdują się między sobą w roacutewnowadze termicznej (mają tę samą temperaturę)
Jeżeli spośroacuted trzech układoacutew A B C znajdujących się w stanie wewnętrznej roacutewnowagi
termodynamicznej każdy z układoacutew A i B jest w roacutewnowadze termicznej z układem C to układy A
i B są ze sobą w roacutewnowadze termicznej (mają tę samą temperaturę) Przytoczone prawo zostało
sformułowane przez Maxwella i jest nazywane zerową zasadą termodynamiki
Aby znaleźć związek pomiędzy energią kinetyczną ruchu postępowego cząstek
a temperaturą przy stałym ciśnieniu można posłużyć się prawem Gay-Lussaca ktoacutere moacutewi że
przy stałym ciśnieniu objętość właściwa zmienia się wraz z temperaturą według zależności
t10 (232)
gdzie υo ndash objętość właściwa gazu w temperaturze 0ordm C β ndash termiczny wspoacutełczynnik
rozszerzalności termicznej gazu t ndash temperatura gazu wyrażona w ordmC
Wartość wspoacutełczynnika β gazoacutew doskonałych ustalono eksperymentalnie ekstrapolując do
ciśnienia p = 0 wyniki doświadczeń przeprowadzonych na rozrzedzonych gazach rzeczywistych
K
1
27315
1
K
10003661β (233)
Stąd
27315
Tυ
27315
t27315υυ
00
(234)
Temperatura T została nazwana temperatura bezwzględną t27315T
Energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki wynosi 2
2
d
kd
mwE
Prędkość cząsteczki w można wyznaczyć podstawiając zależność (234) do przekształconego
roacutewnania (231)
27315
Tυp3υp3w 02
Energia kinetyczna ruchu postępowego cząstki wynosi zatem
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 72
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TkTmpmw
E ddkd
2
3
152732
3
2
0
2 (235)
Przy stałym ciśnieniu energia kinetyczna ruchu postępowego cząstek zmienia się więc liniowo
z temperaturą Wniosek ten można uogoacutelnić za pomocą teorii molekularnej z ktoacuterej wynika że
przepływ ciepła pomiędzy dwoma gazami trwa do chwili gdy średnie energie kinetyczne ruchu
postępowego cząstek tych gazoacutew zroacutewnają się
212
2
21
2
1
22TTgdy
mwmw dd
W tej samej temperaturze średnia energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki gazu
nie zależy od ciśnienia i rodzaju gazu Stąd dochodzi się do wniosku że średnia energia
kinetyczna ruchu postępowego cząsteczek gazu jest wprost proporcjonalna do temperatury
bezwzględnej i że wspoacutełczynnik k w roacutewnaniu (235) jest stałą uniwersalną - nazywa się ją stałą
Boltzmanna
k = 138053 10-26 kJK
Z roacutewnań (231) i (235) wynika
Tm
kwp
d
2
3
1
Tm
kp
d
(236)
lub
TRυp (237)
gdzie
constm
kR
d
nazywa się indywidualną stałą gazową Roacutewnanie (237) zwane roacutewnież roacutewnaniem
Clapeyrona wyraża termiczne roacutewnanie stanu gazoacutew doskonałych i poacutełdoskonałych Nosi też
nazwę roacutewnania stanu gazu
Po pomnożeniu obydwu stron roacutewnania (236) przez masę kilomolową Mμ otrzymuje się
Tm
MkMT
m
kMp
dd
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 82
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W tym roacutewnaniu
M kilomolowa objętośćwłaściwa [m3kmol]
dm
M
liczba Avogadra
A zatem (po uwzględnieniu jednostek)
RKkmol
J
m
Mk
d
783141002283610380531 2626 (238)
Kkmol
JR
78314 - uniwersalna stała gazowa
czyli
TRυp μ (239)
Zapisując roacutewnanie (238) następująco
MRM
m
k
m
MkR
dd
uzyskuje się inny najczęściej wykorzystywany zapis indywidualnej stałej gazowej
Kkg
J
M
RR
(2310)
Inne postaci roacutewnania Clapeyrona
Po pomnożeniu przez masę M obydwu stron roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
otrzymuje się
TRMMp
czyli
TRMVp (2311)
Po podstawieniu do powyższego roacutewnania
M
RRorazMnM
otrzymuje się
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 92
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TRnTM
RMnVp
a zatem
TRnVp (2312)
Podstawiając do roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
następującą zależność
1
gdzie ρ [kgm3] ndash gęstość
120588 =119872
119881 [
119896119892
1198983]
otrzymuje się
TRρp (2313)
Obliczenie kilomolowej objętości właściwej w normalnych warunkach fizycznych
TRp
stąd
kmol
m
Pa
KKkmol
J
p
TR
N
NN
3
422101325
2738315
Przykład
Dwutlenek węgla CO2 w ilości 66 kg znajduje się pod ciśnieniem bezwzględnym 05 MPa
w temperaturze 57degC Wyznaczyć objętość zajmowaną przez gaz ilość kilomoli oraz objętość
właściwą i gęstość po uprzednim obliczeniu kilomolowej objętości właściwej
Rozwiązanie
a Objętość można wyznaczyć z roacutewnania stanu w postaci (2311)
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877 ∙ 119879
Indywidualna stała gazowa CO2 wynosi (2310)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 102
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
119877 =
119872120583=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
44 119896119892
119896119898119900119897
= 189 119869
119896119892 ∙ 119870
gdzie 119872120583 = 12 + 32 = 44 119896119892
119896119898119900119897minus masa kilomolowa CO2
119881 =119872 ∙ 119877 ∙ 119879
119901=
66 119896119892 ∙ 189119869
119896119892 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119875119886= 824 1198983
b Ilość kilomoli
119899 =119872
119872120583=
66 119896119892
44119896119892
119896119898119900119897
= 15 119896119898119900119897
c Kilomolowa objętość właściwa z roacutewnania (239)
TRυp μ
119907120583 = ∙ 119879
119901=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119872119875119886= 55
1198983
119896119898119900119897
d Objętość właściwa z zależności (226)
119907 =119907120583
119872120583=
551198983
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0125 1198983
119896119892
e Gęstość
120588 =1
119907=
1
01251198983
119896119892
= 8119896119892
1198983
24 Mieszaniny gazoacutew doskonałych
W technice często spotyka się mieszaniny (roztwory) gazoacutew czego przykładem jest
powietrze zawierające wiele gazoacutew jednorodnych Innym bardzo typowym rodzajem
mieszaniny gazoacutew są spaliny otrzymane po spaleniu paliwa
Gazy mają tę charakterystyczną właściwość że mieszają się zawsze ze sobą w dowolnych
proporcjach wskutek dyfuzji przy czym po dostatecznie długim czasie ustala się stan
roacutewnowagi w ktoacuterym skład mieszaniny jest jednorodny w całej masie gazu
Roztwoacuter gazoacutew doskonałych można traktować jako jednorodny gaz doskonały jeśli do
roacutewnań stanu wprowadzi się zastępczą stałą gazową Rm oraz określi zastępczą masę molową
Mμm i zastępczą pojemność cieplną
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 112
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
241 Skład mieszaniny
Rys 241 Przykład mieszaniny gazoacutew
W zbiorniku (rys 241) znajduje się mieszanina (roztwoacuter) kilku gazoacutew doskonałych (np1-
atomowy gaz A (czerwony) - 2-atomowy gaz B (niebieski) 3-atomowy gaz C (zielony)
Objętość zbiornika wynosi V [m3] ciśnienie gazu w zbiorniku wynosi p [Pa] a temperatura
T [K] Masa mieszaniny wynosi Mm [kg]
Masa mieszaniny Mm jest sumą mas tworzących ją gazoacutew a więc
CBAm MMMM
Ilość cząstek gazu w mieszaninie jest sumą cząstek tworzących ją gazoacutew a zatem liczba
kilomoli mieszaniny nm będzie roacutewnież sumą liczb kilomoli tworzących ją gazoacutew
CBAm nnnn
Skład mieszaniny określa się za pomocą udziałoacutew masowych (kilogramowych
gramowych) kilomolowych (molowych) lub objętościowych
Udział masowy gi - jest to stosunek masy danego składnika mieszaniny do masy mieszaniny
1gM
Mg
i
i
m
ii (241)
gdzie Mi ndash masa danego składnika mieszaniny (i = A B C) Mm ndash masa mieszaniny
(roztworu)
Udział molowy zi - jest to stosunek liczby kilomoli danego składnika do liczby kilomoli
mieszaniny
i
i
m
ii 1zn
nz (242)
gdzie ni ndash liczba kilomoli danego składnika mieszaniny nm ndash liczba kilomoli mieszaniny
p T V
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 122
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Udział objętościowy
Wyobraźmy sobie że cząsteczki gazoacutew tworzących roztwoacuter (rys242a) zostały
w zbiorniku rozdzielone tak że każdy gaz zajmuje pewną objętość zbiornika ale ciśnienie
i temperatura każdego gazu są takie same jak ciśnienie i temperatura roztworu (rys 242b)
W zbiorniku panuje nadal ciśnienie p i temperatura T zbiornik nadal ma objętość V Masa gazoacutew
w zbiorniku nadal wynosi Mm Każdy gaz tworzący roztwoacuter zajmuje pewną część zbiornika
o objętości Vi w ktoacuterej roacutewnież panuje ciśnienie p i temperatura T
a) b)
Rys 242 Mieszanina gazoacutew ndash a) gazy rozdzielone - b)
Można zatem napisać
VVVV CBA
Stosunek objętości każdego składnika do objętości roztworu jest nazywany udziałem
objętościowym
i
ii
i 1rV
Vr (243)
Powyższa zależność tylko wtedy jest prawdziwa gdy zaroacutewno objętości Vi jak i objętość V
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i w tej samej temperaturze
Dla podkreślenia ważności tego warunku stosuje się często następujący zapis udziału
objętościowego
119903119894 = (119881119894
119881)
119901119879
p T p T p T
VB VA VC
VCVBVAV
p T V
p
T
VA
MA
p
T
VB
MB
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 132
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W przypadku gazoacutew doskonałych udział objętościowy jest identyczny z udziałem kilomolowym
(molowym)
ii zr
n
n
n
n
V
V i
m
iii
(244)
mi - objętości kilomolowe gazoacutew doskonałych w tej samej temperaturze i przy tym
samym ciśnieniu są jednakowe (wynika z prawa Avogadra)
242 Parametry mieszaniny
Masa mieszaniny
CBAm MMMM
Liczba kilomoli mieszaniny
CBAm nnnn
Objętość mieszaniny
VVVV CBA - pod warunkiem że wszystkie objętości
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i przy tej samej temperaturze (rys 242)
Indywidualna stała gazowa mieszaniny
Napiszemy roacutewnania stanu gazu dla każdego gazu zajmującego osobną objętość (rys 242b)
gaz A TRnTRMVp AAAA
gaz B TRnTRMVp BBBB (245)
gaz C TRnTRMVp CCCC
Dodajemy pierwszą i drugą kolumnę wszystkich roacutewnań
T)RMRMRM(VVVp CCBBAACBA
Uwzględniając w powyższym roacutewnaniu
mii
m
ii MgM
M
Mg oraz VVVV CBA
otrzymamy
TRMTRgRgRgMVp mmCCBBAAm )(
gdzie
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 142
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
CCBBAAm RgRgRgR (246)
Rm - indywidualna stała gazowa mieszaniny (można ją roacutewnież wyznaczyć z zależności (2413)
Roacutewnanie stanu mieszaniny można zatem zapisać następująco
TRMVp mm (247)
Dodając pierwszą i trzecią kolumnę roacutewnań (245) otrzymamy
TR)nnn(VVVp CBACBA
gdzie VVVV CBA - objętość mieszaniny
CBAm nnnn - liczba kilomoli mieszaniny
a zatem roacutewnanie stanu mieszaniny można zapisać roacutewnież następująco
TRnVp m (248)
lub TRp m (249)
Zapis roacutewnania stanu gazu dla mieszaniny w postaci (247) (248) i (249) niczym nie
roacuteżni się od zapisu roacutewnania stanu gazu dla pojedynczego gazu Roacuteżni je sposoacuteb wyznaczania
indywidualnej stałej gazowej masy objętości i liczby kilomoli
Objętość właściwa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
m
gggM
M
M
M
M
M
M
MMM
M
VVV
M
V
CCBBAAm gυgυgυυ (2410)
Gęstość mieszaniny
CCBBAAC
CB
BA
A
CCBBAACBAmm
rrrV
V
V
V
V
V
V
VVV
V
MMM
V
M
CCBBAAm rρrρrρρ (2411)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 32
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
22 Prawa gazoacutew doskonałych
Prawo Gay-Lussaca Przy stałym ciśnieniu objętość właściwa zmienia się wraz
z temperaturą według zależności
)1(0 t (221)
gdzie vo [m3kg]ndash objętość właściwa gazu w temperaturze 0oC
K
1
273
1 - wspoacutełczynnik ściśliwości gazu (ustalony eksperymentalnie)
t ndash temperatura gazu wyrażona w oC
Dla dwoacutech stanoacutew w ktoacuterych ciśnienia gazu są jednakowe czyli p1 = p2 powyższa zależność
jest następująca
- stan 1 )1( 101 t
- stan 2
)1( 202 t
Po podzieleniu obu roacutewnań stronami otrzymuje się
1199071
1199072=
1199070(1 + 120573 ∙ 1199051)
1199070(1 + 120573 ∙ 1199052)=
1 +1
273 ∙ 1199051
1 +1
273 ∙ 1199052
=273 + 1199051
273 + 1199052
Wielkości t1 + 273 = T1 oraz t2 + 273 = T2 są temperaturami bezwzględnymi wyrażonymi
w kelwinach Ostatecznie więc jeśli p1 = p2
2
1
2
1
T
T
υ
υ (222)
Prawo Charlesa Przy stałej objętości właściwej ciśnienie gazu zmienia się wraz
z temperaturą według zależności
)1(0 tpp (223)
gdzie po ndash ciśnienie gazu w temperaturze 0oC
K
1
273
1 - wspoacutełczynnik ściśliwości gazu (ustalony eksperymentalnie)
t ndash temperatura gazu wyrażona w oC
Dla dwoacutech stanoacutew w ktoacuterych objętości właściwe gazu są jednakowe czyli v1 = v2 powyższa
zależność jest następująca
- stan 11199011 = 1199010(1 + 120573 ∙ 1199051)
- stan 2 1199012 = 1199010(1 + 120573 ∙ 1199052)
Po podzieleniu obu roacutewnań stronami otrzymuje się
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 42
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
G
az 1
G
az 2
p
1V1T1
P2 V2 T2
1199011
1199012=
1199010(1 + 120573 ∙ 1199051)
1199010(1 + 120573 ∙ 1199052)=
1 +1
273 ∙ 1199051
1 +1
273 ∙ 1199052
=273 + 1199051
273 + 1199052
Wielkości t1 + 273 = T1 oraz t2 + 273 = T2 są temperaturami bezwzględnymi wyrażonymi
w kelvinach Ostatecznie więc jeśli υ1 = υ2
2
1
2
1
T
T
p
p (224)
Prawo Boylersquoa i Mariotta Przy stałej temperaturze iloczyn ciśnienia i objętości
właściwej jest wielkością stałą
constυp
Dla dwoacutech stanoacutew w ktoacuterych temperatury gazu są jednakowe czyli T1 = T2 powyższa
zależność jest następująca
2211 υpυp (225)
Prawo Avogadra Jeśli ciśnienie i temperatura gazoacutew są jednakowe to w jednakowych
objętościach znajduje się taka sama ilość cząsteczek dowolnego gazu doskonałego
Jeśli ciśnienie p1= p2
temperatura T1=T2
objętość V1=V2
to ilość cząsteczek N1 = N2
Skoro liczby cząsteczek obu gazoacutew są sobie roacutewne N1 = N2 to liczby kilomoli też są sobie roacutewne
n1 = n2 a zatem
1198811
1198812=
1198991
1198992
Skąd
1198811
1198991=
1198812
1198992= ⋯ = 119888119900119899119904119905 = 119907120583 (226)
gdzie
kmol
m3
- kilomolowa objętość właściwa (objętość 1 kilomola gazu)
Kilomolowa objętość właściwa dowolnego gazu doskonałego zależy jedynie od
temperatury i ciśnienia nie zależy natomiast od rodzaju gazu
Gaz 1 Gaz 2
p1 V1 T1
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 52
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Uwzględniając w roacutewnaniu (226)
119881 = 119872 ∙ 119907 = 119899 ∙ 119872120583 ∙ 119907
1198811
1198991= 1198721205831 ∙ 1199071
1198812
1198992= 1198721205832 ∙ 1199072
gdzie M [kg] ndash masa gazu v[m3kg] ndash objętość właściwa Mmicro [kgkmol]-masa kilomolowa
otrzymuje się
1198721205831 ∙ 1199071 = 1198721205832 ∙ 1199072 = 119907120583
Iloczyn masy kilomolowej (cząsteczkowej względnej) przez objętość właściwą jest dla
dowolnego gazu doskonałego wielkością stałą zależną tylko od temperatury i ciśnienia
3
constkmol
mM
dla danych wartości p i T (227)
W normalnych warunkach fizycznych (pN = 101325 Pa TN = 273 K] ) kilomolowa
objętość właściwa dowolnego gazu doskonałego wynosi
kmol
mN
3
422
23 Roacutewnanie stanu gazoacutew doskonałych (roacutewnanie Clapeyrona)
Stan cieplny czynnika termodynamicznego (gazu) określają termiczne parametry stanu
ciśnienie temperatura i objętość właściwa Spośroacuted termicznych parametroacutew stanu tylko dwa
mogą zmieniać się niezależnie od siebie trzeci jest jednoznacznie określony przez dwa
pozostałe Roacutewnanie określające relacje pomiędzy parametrami stanu czynnika
termodynamicznego nazywa się termicznym roacutewnaniem stanu Roacutewnania określające zależność
energii wewnętrznej entalpii entropii od termicznych parametroacutew stanu są nazywane
kalorycznymi roacutewnaniami stanu
Do wyprowadzenia roacutewnania Clapeyrona i wielkości charakteryzujących gaz doskonały
wykorzystuje się roacutewnania opisujące w teorii kinetyczno-molekularnej zależność ciśnienia
i temperatury od prędkości liniowej cząsteczki
Ciśnienie jest następstwem uderzeń cząsteczek o ściany naczynia Przy zastosowaniu do
ruchu cząsteczek praw mechaniki można otrzymać zależność pomiędzy ciśnieniem gazu
doskonałego (poacutełdoskonałego) a prędkością liniową cząsteczek
2122
3
1
3
1
3
1wwwmNp d (231)
gdzie N ndash stężenie cząstek (liczba cząstek zawartych w jednostce objętości gazu) md ndash masa
cząsteczki w ndash średnia kwadratowa prędkość cząsteczki (kwadrat tej prędkości jest średnią
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 62
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
arytmetyczną kwadratoacutew prędkości poszczegoacutelnych cząsteczek) ρ ndash gęstość masy gazu υ ndash
objętość właściwa gazu
Temperatura jest parametrem stanu określającym zdolność do przekazywania ciepła
Temperatura t1 ciała pierwszego jest wyższa od temperatury t2 ciała drugiego jeżeli po ich
zetknięciu ciało pierwsze przekazuje ciepło do ciała drugiego Jeżeli pomiędzy dwoma
stykającymi się ciałami odizolowanymi od otoczenia nie występuje przepływ ciepła to ciała te
znajdują się między sobą w roacutewnowadze termicznej (mają tę samą temperaturę)
Jeżeli spośroacuted trzech układoacutew A B C znajdujących się w stanie wewnętrznej roacutewnowagi
termodynamicznej każdy z układoacutew A i B jest w roacutewnowadze termicznej z układem C to układy A
i B są ze sobą w roacutewnowadze termicznej (mają tę samą temperaturę) Przytoczone prawo zostało
sformułowane przez Maxwella i jest nazywane zerową zasadą termodynamiki
Aby znaleźć związek pomiędzy energią kinetyczną ruchu postępowego cząstek
a temperaturą przy stałym ciśnieniu można posłużyć się prawem Gay-Lussaca ktoacutere moacutewi że
przy stałym ciśnieniu objętość właściwa zmienia się wraz z temperaturą według zależności
t10 (232)
gdzie υo ndash objętość właściwa gazu w temperaturze 0ordm C β ndash termiczny wspoacutełczynnik
rozszerzalności termicznej gazu t ndash temperatura gazu wyrażona w ordmC
Wartość wspoacutełczynnika β gazoacutew doskonałych ustalono eksperymentalnie ekstrapolując do
ciśnienia p = 0 wyniki doświadczeń przeprowadzonych na rozrzedzonych gazach rzeczywistych
K
1
27315
1
K
10003661β (233)
Stąd
27315
Tυ
27315
t27315υυ
00
(234)
Temperatura T została nazwana temperatura bezwzględną t27315T
Energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki wynosi 2
2
d
kd
mwE
Prędkość cząsteczki w można wyznaczyć podstawiając zależność (234) do przekształconego
roacutewnania (231)
27315
Tυp3υp3w 02
Energia kinetyczna ruchu postępowego cząstki wynosi zatem
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 72
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TkTmpmw
E ddkd
2
3
152732
3
2
0
2 (235)
Przy stałym ciśnieniu energia kinetyczna ruchu postępowego cząstek zmienia się więc liniowo
z temperaturą Wniosek ten można uogoacutelnić za pomocą teorii molekularnej z ktoacuterej wynika że
przepływ ciepła pomiędzy dwoma gazami trwa do chwili gdy średnie energie kinetyczne ruchu
postępowego cząstek tych gazoacutew zroacutewnają się
212
2
21
2
1
22TTgdy
mwmw dd
W tej samej temperaturze średnia energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki gazu
nie zależy od ciśnienia i rodzaju gazu Stąd dochodzi się do wniosku że średnia energia
kinetyczna ruchu postępowego cząsteczek gazu jest wprost proporcjonalna do temperatury
bezwzględnej i że wspoacutełczynnik k w roacutewnaniu (235) jest stałą uniwersalną - nazywa się ją stałą
Boltzmanna
k = 138053 10-26 kJK
Z roacutewnań (231) i (235) wynika
Tm
kwp
d
2
3
1
Tm
kp
d
(236)
lub
TRυp (237)
gdzie
constm
kR
d
nazywa się indywidualną stałą gazową Roacutewnanie (237) zwane roacutewnież roacutewnaniem
Clapeyrona wyraża termiczne roacutewnanie stanu gazoacutew doskonałych i poacutełdoskonałych Nosi też
nazwę roacutewnania stanu gazu
Po pomnożeniu obydwu stron roacutewnania (236) przez masę kilomolową Mμ otrzymuje się
Tm
MkMT
m
kMp
dd
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 82
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W tym roacutewnaniu
M kilomolowa objętośćwłaściwa [m3kmol]
dm
M
liczba Avogadra
A zatem (po uwzględnieniu jednostek)
RKkmol
J
m
Mk
d
783141002283610380531 2626 (238)
Kkmol
JR
78314 - uniwersalna stała gazowa
czyli
TRυp μ (239)
Zapisując roacutewnanie (238) następująco
MRM
m
k
m
MkR
dd
uzyskuje się inny najczęściej wykorzystywany zapis indywidualnej stałej gazowej
Kkg
J
M
RR
(2310)
Inne postaci roacutewnania Clapeyrona
Po pomnożeniu przez masę M obydwu stron roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
otrzymuje się
TRMMp
czyli
TRMVp (2311)
Po podstawieniu do powyższego roacutewnania
M
RRorazMnM
otrzymuje się
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 92
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TRnTM
RMnVp
a zatem
TRnVp (2312)
Podstawiając do roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
następującą zależność
1
gdzie ρ [kgm3] ndash gęstość
120588 =119872
119881 [
119896119892
1198983]
otrzymuje się
TRρp (2313)
Obliczenie kilomolowej objętości właściwej w normalnych warunkach fizycznych
TRp
stąd
kmol
m
Pa
KKkmol
J
p
TR
N
NN
3
422101325
2738315
Przykład
Dwutlenek węgla CO2 w ilości 66 kg znajduje się pod ciśnieniem bezwzględnym 05 MPa
w temperaturze 57degC Wyznaczyć objętość zajmowaną przez gaz ilość kilomoli oraz objętość
właściwą i gęstość po uprzednim obliczeniu kilomolowej objętości właściwej
Rozwiązanie
a Objętość można wyznaczyć z roacutewnania stanu w postaci (2311)
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877 ∙ 119879
Indywidualna stała gazowa CO2 wynosi (2310)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 102
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
119877 =
119872120583=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
44 119896119892
119896119898119900119897
= 189 119869
119896119892 ∙ 119870
gdzie 119872120583 = 12 + 32 = 44 119896119892
119896119898119900119897minus masa kilomolowa CO2
119881 =119872 ∙ 119877 ∙ 119879
119901=
66 119896119892 ∙ 189119869
119896119892 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119875119886= 824 1198983
b Ilość kilomoli
119899 =119872
119872120583=
66 119896119892
44119896119892
119896119898119900119897
= 15 119896119898119900119897
c Kilomolowa objętość właściwa z roacutewnania (239)
TRυp μ
119907120583 = ∙ 119879
119901=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119872119875119886= 55
1198983
119896119898119900119897
d Objętość właściwa z zależności (226)
119907 =119907120583
119872120583=
551198983
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0125 1198983
119896119892
e Gęstość
120588 =1
119907=
1
01251198983
119896119892
= 8119896119892
1198983
24 Mieszaniny gazoacutew doskonałych
W technice często spotyka się mieszaniny (roztwory) gazoacutew czego przykładem jest
powietrze zawierające wiele gazoacutew jednorodnych Innym bardzo typowym rodzajem
mieszaniny gazoacutew są spaliny otrzymane po spaleniu paliwa
Gazy mają tę charakterystyczną właściwość że mieszają się zawsze ze sobą w dowolnych
proporcjach wskutek dyfuzji przy czym po dostatecznie długim czasie ustala się stan
roacutewnowagi w ktoacuterym skład mieszaniny jest jednorodny w całej masie gazu
Roztwoacuter gazoacutew doskonałych można traktować jako jednorodny gaz doskonały jeśli do
roacutewnań stanu wprowadzi się zastępczą stałą gazową Rm oraz określi zastępczą masę molową
Mμm i zastępczą pojemność cieplną
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 112
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
241 Skład mieszaniny
Rys 241 Przykład mieszaniny gazoacutew
W zbiorniku (rys 241) znajduje się mieszanina (roztwoacuter) kilku gazoacutew doskonałych (np1-
atomowy gaz A (czerwony) - 2-atomowy gaz B (niebieski) 3-atomowy gaz C (zielony)
Objętość zbiornika wynosi V [m3] ciśnienie gazu w zbiorniku wynosi p [Pa] a temperatura
T [K] Masa mieszaniny wynosi Mm [kg]
Masa mieszaniny Mm jest sumą mas tworzących ją gazoacutew a więc
CBAm MMMM
Ilość cząstek gazu w mieszaninie jest sumą cząstek tworzących ją gazoacutew a zatem liczba
kilomoli mieszaniny nm będzie roacutewnież sumą liczb kilomoli tworzących ją gazoacutew
CBAm nnnn
Skład mieszaniny określa się za pomocą udziałoacutew masowych (kilogramowych
gramowych) kilomolowych (molowych) lub objętościowych
Udział masowy gi - jest to stosunek masy danego składnika mieszaniny do masy mieszaniny
1gM
Mg
i
i
m
ii (241)
gdzie Mi ndash masa danego składnika mieszaniny (i = A B C) Mm ndash masa mieszaniny
(roztworu)
Udział molowy zi - jest to stosunek liczby kilomoli danego składnika do liczby kilomoli
mieszaniny
i
i
m
ii 1zn
nz (242)
gdzie ni ndash liczba kilomoli danego składnika mieszaniny nm ndash liczba kilomoli mieszaniny
p T V
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 122
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Udział objętościowy
Wyobraźmy sobie że cząsteczki gazoacutew tworzących roztwoacuter (rys242a) zostały
w zbiorniku rozdzielone tak że każdy gaz zajmuje pewną objętość zbiornika ale ciśnienie
i temperatura każdego gazu są takie same jak ciśnienie i temperatura roztworu (rys 242b)
W zbiorniku panuje nadal ciśnienie p i temperatura T zbiornik nadal ma objętość V Masa gazoacutew
w zbiorniku nadal wynosi Mm Każdy gaz tworzący roztwoacuter zajmuje pewną część zbiornika
o objętości Vi w ktoacuterej roacutewnież panuje ciśnienie p i temperatura T
a) b)
Rys 242 Mieszanina gazoacutew ndash a) gazy rozdzielone - b)
Można zatem napisać
VVVV CBA
Stosunek objętości każdego składnika do objętości roztworu jest nazywany udziałem
objętościowym
i
ii
i 1rV
Vr (243)
Powyższa zależność tylko wtedy jest prawdziwa gdy zaroacutewno objętości Vi jak i objętość V
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i w tej samej temperaturze
Dla podkreślenia ważności tego warunku stosuje się często następujący zapis udziału
objętościowego
119903119894 = (119881119894
119881)
119901119879
p T p T p T
VB VA VC
VCVBVAV
p T V
p
T
VA
MA
p
T
VB
MB
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 132
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W przypadku gazoacutew doskonałych udział objętościowy jest identyczny z udziałem kilomolowym
(molowym)
ii zr
n
n
n
n
V
V i
m
iii
(244)
mi - objętości kilomolowe gazoacutew doskonałych w tej samej temperaturze i przy tym
samym ciśnieniu są jednakowe (wynika z prawa Avogadra)
242 Parametry mieszaniny
Masa mieszaniny
CBAm MMMM
Liczba kilomoli mieszaniny
CBAm nnnn
Objętość mieszaniny
VVVV CBA - pod warunkiem że wszystkie objętości
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i przy tej samej temperaturze (rys 242)
Indywidualna stała gazowa mieszaniny
Napiszemy roacutewnania stanu gazu dla każdego gazu zajmującego osobną objętość (rys 242b)
gaz A TRnTRMVp AAAA
gaz B TRnTRMVp BBBB (245)
gaz C TRnTRMVp CCCC
Dodajemy pierwszą i drugą kolumnę wszystkich roacutewnań
T)RMRMRM(VVVp CCBBAACBA
Uwzględniając w powyższym roacutewnaniu
mii
m
ii MgM
M
Mg oraz VVVV CBA
otrzymamy
TRMTRgRgRgMVp mmCCBBAAm )(
gdzie
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 142
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
CCBBAAm RgRgRgR (246)
Rm - indywidualna stała gazowa mieszaniny (można ją roacutewnież wyznaczyć z zależności (2413)
Roacutewnanie stanu mieszaniny można zatem zapisać następująco
TRMVp mm (247)
Dodając pierwszą i trzecią kolumnę roacutewnań (245) otrzymamy
TR)nnn(VVVp CBACBA
gdzie VVVV CBA - objętość mieszaniny
CBAm nnnn - liczba kilomoli mieszaniny
a zatem roacutewnanie stanu mieszaniny można zapisać roacutewnież następująco
TRnVp m (248)
lub TRp m (249)
Zapis roacutewnania stanu gazu dla mieszaniny w postaci (247) (248) i (249) niczym nie
roacuteżni się od zapisu roacutewnania stanu gazu dla pojedynczego gazu Roacuteżni je sposoacuteb wyznaczania
indywidualnej stałej gazowej masy objętości i liczby kilomoli
Objętość właściwa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
m
gggM
M
M
M
M
M
M
MMM
M
VVV
M
V
CCBBAAm gυgυgυυ (2410)
Gęstość mieszaniny
CCBBAAC
CB
BA
A
CCBBAACBAmm
rrrV
V
V
V
V
V
V
VVV
V
MMM
V
M
CCBBAAm rρrρrρρ (2411)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 42
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
G
az 1
G
az 2
p
1V1T1
P2 V2 T2
1199011
1199012=
1199010(1 + 120573 ∙ 1199051)
1199010(1 + 120573 ∙ 1199052)=
1 +1
273 ∙ 1199051
1 +1
273 ∙ 1199052
=273 + 1199051
273 + 1199052
Wielkości t1 + 273 = T1 oraz t2 + 273 = T2 są temperaturami bezwzględnymi wyrażonymi
w kelvinach Ostatecznie więc jeśli υ1 = υ2
2
1
2
1
T
T
p
p (224)
Prawo Boylersquoa i Mariotta Przy stałej temperaturze iloczyn ciśnienia i objętości
właściwej jest wielkością stałą
constυp
Dla dwoacutech stanoacutew w ktoacuterych temperatury gazu są jednakowe czyli T1 = T2 powyższa
zależność jest następująca
2211 υpυp (225)
Prawo Avogadra Jeśli ciśnienie i temperatura gazoacutew są jednakowe to w jednakowych
objętościach znajduje się taka sama ilość cząsteczek dowolnego gazu doskonałego
Jeśli ciśnienie p1= p2
temperatura T1=T2
objętość V1=V2
to ilość cząsteczek N1 = N2
Skoro liczby cząsteczek obu gazoacutew są sobie roacutewne N1 = N2 to liczby kilomoli też są sobie roacutewne
n1 = n2 a zatem
1198811
1198812=
1198991
1198992
Skąd
1198811
1198991=
1198812
1198992= ⋯ = 119888119900119899119904119905 = 119907120583 (226)
gdzie
kmol
m3
- kilomolowa objętość właściwa (objętość 1 kilomola gazu)
Kilomolowa objętość właściwa dowolnego gazu doskonałego zależy jedynie od
temperatury i ciśnienia nie zależy natomiast od rodzaju gazu
Gaz 1 Gaz 2
p1 V1 T1
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 52
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Uwzględniając w roacutewnaniu (226)
119881 = 119872 ∙ 119907 = 119899 ∙ 119872120583 ∙ 119907
1198811
1198991= 1198721205831 ∙ 1199071
1198812
1198992= 1198721205832 ∙ 1199072
gdzie M [kg] ndash masa gazu v[m3kg] ndash objętość właściwa Mmicro [kgkmol]-masa kilomolowa
otrzymuje się
1198721205831 ∙ 1199071 = 1198721205832 ∙ 1199072 = 119907120583
Iloczyn masy kilomolowej (cząsteczkowej względnej) przez objętość właściwą jest dla
dowolnego gazu doskonałego wielkością stałą zależną tylko od temperatury i ciśnienia
3
constkmol
mM
dla danych wartości p i T (227)
W normalnych warunkach fizycznych (pN = 101325 Pa TN = 273 K] ) kilomolowa
objętość właściwa dowolnego gazu doskonałego wynosi
kmol
mN
3
422
23 Roacutewnanie stanu gazoacutew doskonałych (roacutewnanie Clapeyrona)
Stan cieplny czynnika termodynamicznego (gazu) określają termiczne parametry stanu
ciśnienie temperatura i objętość właściwa Spośroacuted termicznych parametroacutew stanu tylko dwa
mogą zmieniać się niezależnie od siebie trzeci jest jednoznacznie określony przez dwa
pozostałe Roacutewnanie określające relacje pomiędzy parametrami stanu czynnika
termodynamicznego nazywa się termicznym roacutewnaniem stanu Roacutewnania określające zależność
energii wewnętrznej entalpii entropii od termicznych parametroacutew stanu są nazywane
kalorycznymi roacutewnaniami stanu
Do wyprowadzenia roacutewnania Clapeyrona i wielkości charakteryzujących gaz doskonały
wykorzystuje się roacutewnania opisujące w teorii kinetyczno-molekularnej zależność ciśnienia
i temperatury od prędkości liniowej cząsteczki
Ciśnienie jest następstwem uderzeń cząsteczek o ściany naczynia Przy zastosowaniu do
ruchu cząsteczek praw mechaniki można otrzymać zależność pomiędzy ciśnieniem gazu
doskonałego (poacutełdoskonałego) a prędkością liniową cząsteczek
2122
3
1
3
1
3
1wwwmNp d (231)
gdzie N ndash stężenie cząstek (liczba cząstek zawartych w jednostce objętości gazu) md ndash masa
cząsteczki w ndash średnia kwadratowa prędkość cząsteczki (kwadrat tej prędkości jest średnią
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 62
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
arytmetyczną kwadratoacutew prędkości poszczegoacutelnych cząsteczek) ρ ndash gęstość masy gazu υ ndash
objętość właściwa gazu
Temperatura jest parametrem stanu określającym zdolność do przekazywania ciepła
Temperatura t1 ciała pierwszego jest wyższa od temperatury t2 ciała drugiego jeżeli po ich
zetknięciu ciało pierwsze przekazuje ciepło do ciała drugiego Jeżeli pomiędzy dwoma
stykającymi się ciałami odizolowanymi od otoczenia nie występuje przepływ ciepła to ciała te
znajdują się między sobą w roacutewnowadze termicznej (mają tę samą temperaturę)
Jeżeli spośroacuted trzech układoacutew A B C znajdujących się w stanie wewnętrznej roacutewnowagi
termodynamicznej każdy z układoacutew A i B jest w roacutewnowadze termicznej z układem C to układy A
i B są ze sobą w roacutewnowadze termicznej (mają tę samą temperaturę) Przytoczone prawo zostało
sformułowane przez Maxwella i jest nazywane zerową zasadą termodynamiki
Aby znaleźć związek pomiędzy energią kinetyczną ruchu postępowego cząstek
a temperaturą przy stałym ciśnieniu można posłużyć się prawem Gay-Lussaca ktoacutere moacutewi że
przy stałym ciśnieniu objętość właściwa zmienia się wraz z temperaturą według zależności
t10 (232)
gdzie υo ndash objętość właściwa gazu w temperaturze 0ordm C β ndash termiczny wspoacutełczynnik
rozszerzalności termicznej gazu t ndash temperatura gazu wyrażona w ordmC
Wartość wspoacutełczynnika β gazoacutew doskonałych ustalono eksperymentalnie ekstrapolując do
ciśnienia p = 0 wyniki doświadczeń przeprowadzonych na rozrzedzonych gazach rzeczywistych
K
1
27315
1
K
10003661β (233)
Stąd
27315
Tυ
27315
t27315υυ
00
(234)
Temperatura T została nazwana temperatura bezwzględną t27315T
Energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki wynosi 2
2
d
kd
mwE
Prędkość cząsteczki w można wyznaczyć podstawiając zależność (234) do przekształconego
roacutewnania (231)
27315
Tυp3υp3w 02
Energia kinetyczna ruchu postępowego cząstki wynosi zatem
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 72
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TkTmpmw
E ddkd
2
3
152732
3
2
0
2 (235)
Przy stałym ciśnieniu energia kinetyczna ruchu postępowego cząstek zmienia się więc liniowo
z temperaturą Wniosek ten można uogoacutelnić za pomocą teorii molekularnej z ktoacuterej wynika że
przepływ ciepła pomiędzy dwoma gazami trwa do chwili gdy średnie energie kinetyczne ruchu
postępowego cząstek tych gazoacutew zroacutewnają się
212
2
21
2
1
22TTgdy
mwmw dd
W tej samej temperaturze średnia energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki gazu
nie zależy od ciśnienia i rodzaju gazu Stąd dochodzi się do wniosku że średnia energia
kinetyczna ruchu postępowego cząsteczek gazu jest wprost proporcjonalna do temperatury
bezwzględnej i że wspoacutełczynnik k w roacutewnaniu (235) jest stałą uniwersalną - nazywa się ją stałą
Boltzmanna
k = 138053 10-26 kJK
Z roacutewnań (231) i (235) wynika
Tm
kwp
d
2
3
1
Tm
kp
d
(236)
lub
TRυp (237)
gdzie
constm
kR
d
nazywa się indywidualną stałą gazową Roacutewnanie (237) zwane roacutewnież roacutewnaniem
Clapeyrona wyraża termiczne roacutewnanie stanu gazoacutew doskonałych i poacutełdoskonałych Nosi też
nazwę roacutewnania stanu gazu
Po pomnożeniu obydwu stron roacutewnania (236) przez masę kilomolową Mμ otrzymuje się
Tm
MkMT
m
kMp
dd
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 82
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W tym roacutewnaniu
M kilomolowa objętośćwłaściwa [m3kmol]
dm
M
liczba Avogadra
A zatem (po uwzględnieniu jednostek)
RKkmol
J
m
Mk
d
783141002283610380531 2626 (238)
Kkmol
JR
78314 - uniwersalna stała gazowa
czyli
TRυp μ (239)
Zapisując roacutewnanie (238) następująco
MRM
m
k
m
MkR
dd
uzyskuje się inny najczęściej wykorzystywany zapis indywidualnej stałej gazowej
Kkg
J
M
RR
(2310)
Inne postaci roacutewnania Clapeyrona
Po pomnożeniu przez masę M obydwu stron roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
otrzymuje się
TRMMp
czyli
TRMVp (2311)
Po podstawieniu do powyższego roacutewnania
M
RRorazMnM
otrzymuje się
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 92
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TRnTM
RMnVp
a zatem
TRnVp (2312)
Podstawiając do roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
następującą zależność
1
gdzie ρ [kgm3] ndash gęstość
120588 =119872
119881 [
119896119892
1198983]
otrzymuje się
TRρp (2313)
Obliczenie kilomolowej objętości właściwej w normalnych warunkach fizycznych
TRp
stąd
kmol
m
Pa
KKkmol
J
p
TR
N
NN
3
422101325
2738315
Przykład
Dwutlenek węgla CO2 w ilości 66 kg znajduje się pod ciśnieniem bezwzględnym 05 MPa
w temperaturze 57degC Wyznaczyć objętość zajmowaną przez gaz ilość kilomoli oraz objętość
właściwą i gęstość po uprzednim obliczeniu kilomolowej objętości właściwej
Rozwiązanie
a Objętość można wyznaczyć z roacutewnania stanu w postaci (2311)
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877 ∙ 119879
Indywidualna stała gazowa CO2 wynosi (2310)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 102
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
119877 =
119872120583=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
44 119896119892
119896119898119900119897
= 189 119869
119896119892 ∙ 119870
gdzie 119872120583 = 12 + 32 = 44 119896119892
119896119898119900119897minus masa kilomolowa CO2
119881 =119872 ∙ 119877 ∙ 119879
119901=
66 119896119892 ∙ 189119869
119896119892 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119875119886= 824 1198983
b Ilość kilomoli
119899 =119872
119872120583=
66 119896119892
44119896119892
119896119898119900119897
= 15 119896119898119900119897
c Kilomolowa objętość właściwa z roacutewnania (239)
TRυp μ
119907120583 = ∙ 119879
119901=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119872119875119886= 55
1198983
119896119898119900119897
d Objętość właściwa z zależności (226)
119907 =119907120583
119872120583=
551198983
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0125 1198983
119896119892
e Gęstość
120588 =1
119907=
1
01251198983
119896119892
= 8119896119892
1198983
24 Mieszaniny gazoacutew doskonałych
W technice często spotyka się mieszaniny (roztwory) gazoacutew czego przykładem jest
powietrze zawierające wiele gazoacutew jednorodnych Innym bardzo typowym rodzajem
mieszaniny gazoacutew są spaliny otrzymane po spaleniu paliwa
Gazy mają tę charakterystyczną właściwość że mieszają się zawsze ze sobą w dowolnych
proporcjach wskutek dyfuzji przy czym po dostatecznie długim czasie ustala się stan
roacutewnowagi w ktoacuterym skład mieszaniny jest jednorodny w całej masie gazu
Roztwoacuter gazoacutew doskonałych można traktować jako jednorodny gaz doskonały jeśli do
roacutewnań stanu wprowadzi się zastępczą stałą gazową Rm oraz określi zastępczą masę molową
Mμm i zastępczą pojemność cieplną
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 112
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
241 Skład mieszaniny
Rys 241 Przykład mieszaniny gazoacutew
W zbiorniku (rys 241) znajduje się mieszanina (roztwoacuter) kilku gazoacutew doskonałych (np1-
atomowy gaz A (czerwony) - 2-atomowy gaz B (niebieski) 3-atomowy gaz C (zielony)
Objętość zbiornika wynosi V [m3] ciśnienie gazu w zbiorniku wynosi p [Pa] a temperatura
T [K] Masa mieszaniny wynosi Mm [kg]
Masa mieszaniny Mm jest sumą mas tworzących ją gazoacutew a więc
CBAm MMMM
Ilość cząstek gazu w mieszaninie jest sumą cząstek tworzących ją gazoacutew a zatem liczba
kilomoli mieszaniny nm będzie roacutewnież sumą liczb kilomoli tworzących ją gazoacutew
CBAm nnnn
Skład mieszaniny określa się za pomocą udziałoacutew masowych (kilogramowych
gramowych) kilomolowych (molowych) lub objętościowych
Udział masowy gi - jest to stosunek masy danego składnika mieszaniny do masy mieszaniny
1gM
Mg
i
i
m
ii (241)
gdzie Mi ndash masa danego składnika mieszaniny (i = A B C) Mm ndash masa mieszaniny
(roztworu)
Udział molowy zi - jest to stosunek liczby kilomoli danego składnika do liczby kilomoli
mieszaniny
i
i
m
ii 1zn
nz (242)
gdzie ni ndash liczba kilomoli danego składnika mieszaniny nm ndash liczba kilomoli mieszaniny
p T V
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 122
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Udział objętościowy
Wyobraźmy sobie że cząsteczki gazoacutew tworzących roztwoacuter (rys242a) zostały
w zbiorniku rozdzielone tak że każdy gaz zajmuje pewną objętość zbiornika ale ciśnienie
i temperatura każdego gazu są takie same jak ciśnienie i temperatura roztworu (rys 242b)
W zbiorniku panuje nadal ciśnienie p i temperatura T zbiornik nadal ma objętość V Masa gazoacutew
w zbiorniku nadal wynosi Mm Każdy gaz tworzący roztwoacuter zajmuje pewną część zbiornika
o objętości Vi w ktoacuterej roacutewnież panuje ciśnienie p i temperatura T
a) b)
Rys 242 Mieszanina gazoacutew ndash a) gazy rozdzielone - b)
Można zatem napisać
VVVV CBA
Stosunek objętości każdego składnika do objętości roztworu jest nazywany udziałem
objętościowym
i
ii
i 1rV
Vr (243)
Powyższa zależność tylko wtedy jest prawdziwa gdy zaroacutewno objętości Vi jak i objętość V
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i w tej samej temperaturze
Dla podkreślenia ważności tego warunku stosuje się często następujący zapis udziału
objętościowego
119903119894 = (119881119894
119881)
119901119879
p T p T p T
VB VA VC
VCVBVAV
p T V
p
T
VA
MA
p
T
VB
MB
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 132
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W przypadku gazoacutew doskonałych udział objętościowy jest identyczny z udziałem kilomolowym
(molowym)
ii zr
n
n
n
n
V
V i
m
iii
(244)
mi - objętości kilomolowe gazoacutew doskonałych w tej samej temperaturze i przy tym
samym ciśnieniu są jednakowe (wynika z prawa Avogadra)
242 Parametry mieszaniny
Masa mieszaniny
CBAm MMMM
Liczba kilomoli mieszaniny
CBAm nnnn
Objętość mieszaniny
VVVV CBA - pod warunkiem że wszystkie objętości
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i przy tej samej temperaturze (rys 242)
Indywidualna stała gazowa mieszaniny
Napiszemy roacutewnania stanu gazu dla każdego gazu zajmującego osobną objętość (rys 242b)
gaz A TRnTRMVp AAAA
gaz B TRnTRMVp BBBB (245)
gaz C TRnTRMVp CCCC
Dodajemy pierwszą i drugą kolumnę wszystkich roacutewnań
T)RMRMRM(VVVp CCBBAACBA
Uwzględniając w powyższym roacutewnaniu
mii
m
ii MgM
M
Mg oraz VVVV CBA
otrzymamy
TRMTRgRgRgMVp mmCCBBAAm )(
gdzie
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 142
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
CCBBAAm RgRgRgR (246)
Rm - indywidualna stała gazowa mieszaniny (można ją roacutewnież wyznaczyć z zależności (2413)
Roacutewnanie stanu mieszaniny można zatem zapisać następująco
TRMVp mm (247)
Dodając pierwszą i trzecią kolumnę roacutewnań (245) otrzymamy
TR)nnn(VVVp CBACBA
gdzie VVVV CBA - objętość mieszaniny
CBAm nnnn - liczba kilomoli mieszaniny
a zatem roacutewnanie stanu mieszaniny można zapisać roacutewnież następująco
TRnVp m (248)
lub TRp m (249)
Zapis roacutewnania stanu gazu dla mieszaniny w postaci (247) (248) i (249) niczym nie
roacuteżni się od zapisu roacutewnania stanu gazu dla pojedynczego gazu Roacuteżni je sposoacuteb wyznaczania
indywidualnej stałej gazowej masy objętości i liczby kilomoli
Objętość właściwa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
m
gggM
M
M
M
M
M
M
MMM
M
VVV
M
V
CCBBAAm gυgυgυυ (2410)
Gęstość mieszaniny
CCBBAAC
CB
BA
A
CCBBAACBAmm
rrrV
V
V
V
V
V
V
VVV
V
MMM
V
M
CCBBAAm rρrρrρρ (2411)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 52
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Uwzględniając w roacutewnaniu (226)
119881 = 119872 ∙ 119907 = 119899 ∙ 119872120583 ∙ 119907
1198811
1198991= 1198721205831 ∙ 1199071
1198812
1198992= 1198721205832 ∙ 1199072
gdzie M [kg] ndash masa gazu v[m3kg] ndash objętość właściwa Mmicro [kgkmol]-masa kilomolowa
otrzymuje się
1198721205831 ∙ 1199071 = 1198721205832 ∙ 1199072 = 119907120583
Iloczyn masy kilomolowej (cząsteczkowej względnej) przez objętość właściwą jest dla
dowolnego gazu doskonałego wielkością stałą zależną tylko od temperatury i ciśnienia
3
constkmol
mM
dla danych wartości p i T (227)
W normalnych warunkach fizycznych (pN = 101325 Pa TN = 273 K] ) kilomolowa
objętość właściwa dowolnego gazu doskonałego wynosi
kmol
mN
3
422
23 Roacutewnanie stanu gazoacutew doskonałych (roacutewnanie Clapeyrona)
Stan cieplny czynnika termodynamicznego (gazu) określają termiczne parametry stanu
ciśnienie temperatura i objętość właściwa Spośroacuted termicznych parametroacutew stanu tylko dwa
mogą zmieniać się niezależnie od siebie trzeci jest jednoznacznie określony przez dwa
pozostałe Roacutewnanie określające relacje pomiędzy parametrami stanu czynnika
termodynamicznego nazywa się termicznym roacutewnaniem stanu Roacutewnania określające zależność
energii wewnętrznej entalpii entropii od termicznych parametroacutew stanu są nazywane
kalorycznymi roacutewnaniami stanu
Do wyprowadzenia roacutewnania Clapeyrona i wielkości charakteryzujących gaz doskonały
wykorzystuje się roacutewnania opisujące w teorii kinetyczno-molekularnej zależność ciśnienia
i temperatury od prędkości liniowej cząsteczki
Ciśnienie jest następstwem uderzeń cząsteczek o ściany naczynia Przy zastosowaniu do
ruchu cząsteczek praw mechaniki można otrzymać zależność pomiędzy ciśnieniem gazu
doskonałego (poacutełdoskonałego) a prędkością liniową cząsteczek
2122
3
1
3
1
3
1wwwmNp d (231)
gdzie N ndash stężenie cząstek (liczba cząstek zawartych w jednostce objętości gazu) md ndash masa
cząsteczki w ndash średnia kwadratowa prędkość cząsteczki (kwadrat tej prędkości jest średnią
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 62
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
arytmetyczną kwadratoacutew prędkości poszczegoacutelnych cząsteczek) ρ ndash gęstość masy gazu υ ndash
objętość właściwa gazu
Temperatura jest parametrem stanu określającym zdolność do przekazywania ciepła
Temperatura t1 ciała pierwszego jest wyższa od temperatury t2 ciała drugiego jeżeli po ich
zetknięciu ciało pierwsze przekazuje ciepło do ciała drugiego Jeżeli pomiędzy dwoma
stykającymi się ciałami odizolowanymi od otoczenia nie występuje przepływ ciepła to ciała te
znajdują się między sobą w roacutewnowadze termicznej (mają tę samą temperaturę)
Jeżeli spośroacuted trzech układoacutew A B C znajdujących się w stanie wewnętrznej roacutewnowagi
termodynamicznej każdy z układoacutew A i B jest w roacutewnowadze termicznej z układem C to układy A
i B są ze sobą w roacutewnowadze termicznej (mają tę samą temperaturę) Przytoczone prawo zostało
sformułowane przez Maxwella i jest nazywane zerową zasadą termodynamiki
Aby znaleźć związek pomiędzy energią kinetyczną ruchu postępowego cząstek
a temperaturą przy stałym ciśnieniu można posłużyć się prawem Gay-Lussaca ktoacutere moacutewi że
przy stałym ciśnieniu objętość właściwa zmienia się wraz z temperaturą według zależności
t10 (232)
gdzie υo ndash objętość właściwa gazu w temperaturze 0ordm C β ndash termiczny wspoacutełczynnik
rozszerzalności termicznej gazu t ndash temperatura gazu wyrażona w ordmC
Wartość wspoacutełczynnika β gazoacutew doskonałych ustalono eksperymentalnie ekstrapolując do
ciśnienia p = 0 wyniki doświadczeń przeprowadzonych na rozrzedzonych gazach rzeczywistych
K
1
27315
1
K
10003661β (233)
Stąd
27315
Tυ
27315
t27315υυ
00
(234)
Temperatura T została nazwana temperatura bezwzględną t27315T
Energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki wynosi 2
2
d
kd
mwE
Prędkość cząsteczki w można wyznaczyć podstawiając zależność (234) do przekształconego
roacutewnania (231)
27315
Tυp3υp3w 02
Energia kinetyczna ruchu postępowego cząstki wynosi zatem
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 72
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TkTmpmw
E ddkd
2
3
152732
3
2
0
2 (235)
Przy stałym ciśnieniu energia kinetyczna ruchu postępowego cząstek zmienia się więc liniowo
z temperaturą Wniosek ten można uogoacutelnić za pomocą teorii molekularnej z ktoacuterej wynika że
przepływ ciepła pomiędzy dwoma gazami trwa do chwili gdy średnie energie kinetyczne ruchu
postępowego cząstek tych gazoacutew zroacutewnają się
212
2
21
2
1
22TTgdy
mwmw dd
W tej samej temperaturze średnia energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki gazu
nie zależy od ciśnienia i rodzaju gazu Stąd dochodzi się do wniosku że średnia energia
kinetyczna ruchu postępowego cząsteczek gazu jest wprost proporcjonalna do temperatury
bezwzględnej i że wspoacutełczynnik k w roacutewnaniu (235) jest stałą uniwersalną - nazywa się ją stałą
Boltzmanna
k = 138053 10-26 kJK
Z roacutewnań (231) i (235) wynika
Tm
kwp
d
2
3
1
Tm
kp
d
(236)
lub
TRυp (237)
gdzie
constm
kR
d
nazywa się indywidualną stałą gazową Roacutewnanie (237) zwane roacutewnież roacutewnaniem
Clapeyrona wyraża termiczne roacutewnanie stanu gazoacutew doskonałych i poacutełdoskonałych Nosi też
nazwę roacutewnania stanu gazu
Po pomnożeniu obydwu stron roacutewnania (236) przez masę kilomolową Mμ otrzymuje się
Tm
MkMT
m
kMp
dd
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 82
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W tym roacutewnaniu
M kilomolowa objętośćwłaściwa [m3kmol]
dm
M
liczba Avogadra
A zatem (po uwzględnieniu jednostek)
RKkmol
J
m
Mk
d
783141002283610380531 2626 (238)
Kkmol
JR
78314 - uniwersalna stała gazowa
czyli
TRυp μ (239)
Zapisując roacutewnanie (238) następująco
MRM
m
k
m
MkR
dd
uzyskuje się inny najczęściej wykorzystywany zapis indywidualnej stałej gazowej
Kkg
J
M
RR
(2310)
Inne postaci roacutewnania Clapeyrona
Po pomnożeniu przez masę M obydwu stron roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
otrzymuje się
TRMMp
czyli
TRMVp (2311)
Po podstawieniu do powyższego roacutewnania
M
RRorazMnM
otrzymuje się
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 92
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TRnTM
RMnVp
a zatem
TRnVp (2312)
Podstawiając do roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
następującą zależność
1
gdzie ρ [kgm3] ndash gęstość
120588 =119872
119881 [
119896119892
1198983]
otrzymuje się
TRρp (2313)
Obliczenie kilomolowej objętości właściwej w normalnych warunkach fizycznych
TRp
stąd
kmol
m
Pa
KKkmol
J
p
TR
N
NN
3
422101325
2738315
Przykład
Dwutlenek węgla CO2 w ilości 66 kg znajduje się pod ciśnieniem bezwzględnym 05 MPa
w temperaturze 57degC Wyznaczyć objętość zajmowaną przez gaz ilość kilomoli oraz objętość
właściwą i gęstość po uprzednim obliczeniu kilomolowej objętości właściwej
Rozwiązanie
a Objętość można wyznaczyć z roacutewnania stanu w postaci (2311)
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877 ∙ 119879
Indywidualna stała gazowa CO2 wynosi (2310)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 102
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
119877 =
119872120583=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
44 119896119892
119896119898119900119897
= 189 119869
119896119892 ∙ 119870
gdzie 119872120583 = 12 + 32 = 44 119896119892
119896119898119900119897minus masa kilomolowa CO2
119881 =119872 ∙ 119877 ∙ 119879
119901=
66 119896119892 ∙ 189119869
119896119892 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119875119886= 824 1198983
b Ilość kilomoli
119899 =119872
119872120583=
66 119896119892
44119896119892
119896119898119900119897
= 15 119896119898119900119897
c Kilomolowa objętość właściwa z roacutewnania (239)
TRυp μ
119907120583 = ∙ 119879
119901=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119872119875119886= 55
1198983
119896119898119900119897
d Objętość właściwa z zależności (226)
119907 =119907120583
119872120583=
551198983
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0125 1198983
119896119892
e Gęstość
120588 =1
119907=
1
01251198983
119896119892
= 8119896119892
1198983
24 Mieszaniny gazoacutew doskonałych
W technice często spotyka się mieszaniny (roztwory) gazoacutew czego przykładem jest
powietrze zawierające wiele gazoacutew jednorodnych Innym bardzo typowym rodzajem
mieszaniny gazoacutew są spaliny otrzymane po spaleniu paliwa
Gazy mają tę charakterystyczną właściwość że mieszają się zawsze ze sobą w dowolnych
proporcjach wskutek dyfuzji przy czym po dostatecznie długim czasie ustala się stan
roacutewnowagi w ktoacuterym skład mieszaniny jest jednorodny w całej masie gazu
Roztwoacuter gazoacutew doskonałych można traktować jako jednorodny gaz doskonały jeśli do
roacutewnań stanu wprowadzi się zastępczą stałą gazową Rm oraz określi zastępczą masę molową
Mμm i zastępczą pojemność cieplną
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 112
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
241 Skład mieszaniny
Rys 241 Przykład mieszaniny gazoacutew
W zbiorniku (rys 241) znajduje się mieszanina (roztwoacuter) kilku gazoacutew doskonałych (np1-
atomowy gaz A (czerwony) - 2-atomowy gaz B (niebieski) 3-atomowy gaz C (zielony)
Objętość zbiornika wynosi V [m3] ciśnienie gazu w zbiorniku wynosi p [Pa] a temperatura
T [K] Masa mieszaniny wynosi Mm [kg]
Masa mieszaniny Mm jest sumą mas tworzących ją gazoacutew a więc
CBAm MMMM
Ilość cząstek gazu w mieszaninie jest sumą cząstek tworzących ją gazoacutew a zatem liczba
kilomoli mieszaniny nm będzie roacutewnież sumą liczb kilomoli tworzących ją gazoacutew
CBAm nnnn
Skład mieszaniny określa się za pomocą udziałoacutew masowych (kilogramowych
gramowych) kilomolowych (molowych) lub objętościowych
Udział masowy gi - jest to stosunek masy danego składnika mieszaniny do masy mieszaniny
1gM
Mg
i
i
m
ii (241)
gdzie Mi ndash masa danego składnika mieszaniny (i = A B C) Mm ndash masa mieszaniny
(roztworu)
Udział molowy zi - jest to stosunek liczby kilomoli danego składnika do liczby kilomoli
mieszaniny
i
i
m
ii 1zn
nz (242)
gdzie ni ndash liczba kilomoli danego składnika mieszaniny nm ndash liczba kilomoli mieszaniny
p T V
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 122
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Udział objętościowy
Wyobraźmy sobie że cząsteczki gazoacutew tworzących roztwoacuter (rys242a) zostały
w zbiorniku rozdzielone tak że każdy gaz zajmuje pewną objętość zbiornika ale ciśnienie
i temperatura każdego gazu są takie same jak ciśnienie i temperatura roztworu (rys 242b)
W zbiorniku panuje nadal ciśnienie p i temperatura T zbiornik nadal ma objętość V Masa gazoacutew
w zbiorniku nadal wynosi Mm Każdy gaz tworzący roztwoacuter zajmuje pewną część zbiornika
o objętości Vi w ktoacuterej roacutewnież panuje ciśnienie p i temperatura T
a) b)
Rys 242 Mieszanina gazoacutew ndash a) gazy rozdzielone - b)
Można zatem napisać
VVVV CBA
Stosunek objętości każdego składnika do objętości roztworu jest nazywany udziałem
objętościowym
i
ii
i 1rV
Vr (243)
Powyższa zależność tylko wtedy jest prawdziwa gdy zaroacutewno objętości Vi jak i objętość V
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i w tej samej temperaturze
Dla podkreślenia ważności tego warunku stosuje się często następujący zapis udziału
objętościowego
119903119894 = (119881119894
119881)
119901119879
p T p T p T
VB VA VC
VCVBVAV
p T V
p
T
VA
MA
p
T
VB
MB
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 132
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W przypadku gazoacutew doskonałych udział objętościowy jest identyczny z udziałem kilomolowym
(molowym)
ii zr
n
n
n
n
V
V i
m
iii
(244)
mi - objętości kilomolowe gazoacutew doskonałych w tej samej temperaturze i przy tym
samym ciśnieniu są jednakowe (wynika z prawa Avogadra)
242 Parametry mieszaniny
Masa mieszaniny
CBAm MMMM
Liczba kilomoli mieszaniny
CBAm nnnn
Objętość mieszaniny
VVVV CBA - pod warunkiem że wszystkie objętości
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i przy tej samej temperaturze (rys 242)
Indywidualna stała gazowa mieszaniny
Napiszemy roacutewnania stanu gazu dla każdego gazu zajmującego osobną objętość (rys 242b)
gaz A TRnTRMVp AAAA
gaz B TRnTRMVp BBBB (245)
gaz C TRnTRMVp CCCC
Dodajemy pierwszą i drugą kolumnę wszystkich roacutewnań
T)RMRMRM(VVVp CCBBAACBA
Uwzględniając w powyższym roacutewnaniu
mii
m
ii MgM
M
Mg oraz VVVV CBA
otrzymamy
TRMTRgRgRgMVp mmCCBBAAm )(
gdzie
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 142
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
CCBBAAm RgRgRgR (246)
Rm - indywidualna stała gazowa mieszaniny (można ją roacutewnież wyznaczyć z zależności (2413)
Roacutewnanie stanu mieszaniny można zatem zapisać następująco
TRMVp mm (247)
Dodając pierwszą i trzecią kolumnę roacutewnań (245) otrzymamy
TR)nnn(VVVp CBACBA
gdzie VVVV CBA - objętość mieszaniny
CBAm nnnn - liczba kilomoli mieszaniny
a zatem roacutewnanie stanu mieszaniny można zapisać roacutewnież następująco
TRnVp m (248)
lub TRp m (249)
Zapis roacutewnania stanu gazu dla mieszaniny w postaci (247) (248) i (249) niczym nie
roacuteżni się od zapisu roacutewnania stanu gazu dla pojedynczego gazu Roacuteżni je sposoacuteb wyznaczania
indywidualnej stałej gazowej masy objętości i liczby kilomoli
Objętość właściwa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
m
gggM
M
M
M
M
M
M
MMM
M
VVV
M
V
CCBBAAm gυgυgυυ (2410)
Gęstość mieszaniny
CCBBAAC
CB
BA
A
CCBBAACBAmm
rrrV
V
V
V
V
V
V
VVV
V
MMM
V
M
CCBBAAm rρrρrρρ (2411)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 62
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
arytmetyczną kwadratoacutew prędkości poszczegoacutelnych cząsteczek) ρ ndash gęstość masy gazu υ ndash
objętość właściwa gazu
Temperatura jest parametrem stanu określającym zdolność do przekazywania ciepła
Temperatura t1 ciała pierwszego jest wyższa od temperatury t2 ciała drugiego jeżeli po ich
zetknięciu ciało pierwsze przekazuje ciepło do ciała drugiego Jeżeli pomiędzy dwoma
stykającymi się ciałami odizolowanymi od otoczenia nie występuje przepływ ciepła to ciała te
znajdują się między sobą w roacutewnowadze termicznej (mają tę samą temperaturę)
Jeżeli spośroacuted trzech układoacutew A B C znajdujących się w stanie wewnętrznej roacutewnowagi
termodynamicznej każdy z układoacutew A i B jest w roacutewnowadze termicznej z układem C to układy A
i B są ze sobą w roacutewnowadze termicznej (mają tę samą temperaturę) Przytoczone prawo zostało
sformułowane przez Maxwella i jest nazywane zerową zasadą termodynamiki
Aby znaleźć związek pomiędzy energią kinetyczną ruchu postępowego cząstek
a temperaturą przy stałym ciśnieniu można posłużyć się prawem Gay-Lussaca ktoacutere moacutewi że
przy stałym ciśnieniu objętość właściwa zmienia się wraz z temperaturą według zależności
t10 (232)
gdzie υo ndash objętość właściwa gazu w temperaturze 0ordm C β ndash termiczny wspoacutełczynnik
rozszerzalności termicznej gazu t ndash temperatura gazu wyrażona w ordmC
Wartość wspoacutełczynnika β gazoacutew doskonałych ustalono eksperymentalnie ekstrapolując do
ciśnienia p = 0 wyniki doświadczeń przeprowadzonych na rozrzedzonych gazach rzeczywistych
K
1
27315
1
K
10003661β (233)
Stąd
27315
Tυ
27315
t27315υυ
00
(234)
Temperatura T została nazwana temperatura bezwzględną t27315T
Energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki wynosi 2
2
d
kd
mwE
Prędkość cząsteczki w można wyznaczyć podstawiając zależność (234) do przekształconego
roacutewnania (231)
27315
Tυp3υp3w 02
Energia kinetyczna ruchu postępowego cząstki wynosi zatem
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 72
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TkTmpmw
E ddkd
2
3
152732
3
2
0
2 (235)
Przy stałym ciśnieniu energia kinetyczna ruchu postępowego cząstek zmienia się więc liniowo
z temperaturą Wniosek ten można uogoacutelnić za pomocą teorii molekularnej z ktoacuterej wynika że
przepływ ciepła pomiędzy dwoma gazami trwa do chwili gdy średnie energie kinetyczne ruchu
postępowego cząstek tych gazoacutew zroacutewnają się
212
2
21
2
1
22TTgdy
mwmw dd
W tej samej temperaturze średnia energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki gazu
nie zależy od ciśnienia i rodzaju gazu Stąd dochodzi się do wniosku że średnia energia
kinetyczna ruchu postępowego cząsteczek gazu jest wprost proporcjonalna do temperatury
bezwzględnej i że wspoacutełczynnik k w roacutewnaniu (235) jest stałą uniwersalną - nazywa się ją stałą
Boltzmanna
k = 138053 10-26 kJK
Z roacutewnań (231) i (235) wynika
Tm
kwp
d
2
3
1
Tm
kp
d
(236)
lub
TRυp (237)
gdzie
constm
kR
d
nazywa się indywidualną stałą gazową Roacutewnanie (237) zwane roacutewnież roacutewnaniem
Clapeyrona wyraża termiczne roacutewnanie stanu gazoacutew doskonałych i poacutełdoskonałych Nosi też
nazwę roacutewnania stanu gazu
Po pomnożeniu obydwu stron roacutewnania (236) przez masę kilomolową Mμ otrzymuje się
Tm
MkMT
m
kMp
dd
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 82
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W tym roacutewnaniu
M kilomolowa objętośćwłaściwa [m3kmol]
dm
M
liczba Avogadra
A zatem (po uwzględnieniu jednostek)
RKkmol
J
m
Mk
d
783141002283610380531 2626 (238)
Kkmol
JR
78314 - uniwersalna stała gazowa
czyli
TRυp μ (239)
Zapisując roacutewnanie (238) następująco
MRM
m
k
m
MkR
dd
uzyskuje się inny najczęściej wykorzystywany zapis indywidualnej stałej gazowej
Kkg
J
M
RR
(2310)
Inne postaci roacutewnania Clapeyrona
Po pomnożeniu przez masę M obydwu stron roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
otrzymuje się
TRMMp
czyli
TRMVp (2311)
Po podstawieniu do powyższego roacutewnania
M
RRorazMnM
otrzymuje się
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 92
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TRnTM
RMnVp
a zatem
TRnVp (2312)
Podstawiając do roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
następującą zależność
1
gdzie ρ [kgm3] ndash gęstość
120588 =119872
119881 [
119896119892
1198983]
otrzymuje się
TRρp (2313)
Obliczenie kilomolowej objętości właściwej w normalnych warunkach fizycznych
TRp
stąd
kmol
m
Pa
KKkmol
J
p
TR
N
NN
3
422101325
2738315
Przykład
Dwutlenek węgla CO2 w ilości 66 kg znajduje się pod ciśnieniem bezwzględnym 05 MPa
w temperaturze 57degC Wyznaczyć objętość zajmowaną przez gaz ilość kilomoli oraz objętość
właściwą i gęstość po uprzednim obliczeniu kilomolowej objętości właściwej
Rozwiązanie
a Objętość można wyznaczyć z roacutewnania stanu w postaci (2311)
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877 ∙ 119879
Indywidualna stała gazowa CO2 wynosi (2310)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 102
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
119877 =
119872120583=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
44 119896119892
119896119898119900119897
= 189 119869
119896119892 ∙ 119870
gdzie 119872120583 = 12 + 32 = 44 119896119892
119896119898119900119897minus masa kilomolowa CO2
119881 =119872 ∙ 119877 ∙ 119879
119901=
66 119896119892 ∙ 189119869
119896119892 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119875119886= 824 1198983
b Ilość kilomoli
119899 =119872
119872120583=
66 119896119892
44119896119892
119896119898119900119897
= 15 119896119898119900119897
c Kilomolowa objętość właściwa z roacutewnania (239)
TRυp μ
119907120583 = ∙ 119879
119901=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119872119875119886= 55
1198983
119896119898119900119897
d Objętość właściwa z zależności (226)
119907 =119907120583
119872120583=
551198983
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0125 1198983
119896119892
e Gęstość
120588 =1
119907=
1
01251198983
119896119892
= 8119896119892
1198983
24 Mieszaniny gazoacutew doskonałych
W technice często spotyka się mieszaniny (roztwory) gazoacutew czego przykładem jest
powietrze zawierające wiele gazoacutew jednorodnych Innym bardzo typowym rodzajem
mieszaniny gazoacutew są spaliny otrzymane po spaleniu paliwa
Gazy mają tę charakterystyczną właściwość że mieszają się zawsze ze sobą w dowolnych
proporcjach wskutek dyfuzji przy czym po dostatecznie długim czasie ustala się stan
roacutewnowagi w ktoacuterym skład mieszaniny jest jednorodny w całej masie gazu
Roztwoacuter gazoacutew doskonałych można traktować jako jednorodny gaz doskonały jeśli do
roacutewnań stanu wprowadzi się zastępczą stałą gazową Rm oraz określi zastępczą masę molową
Mμm i zastępczą pojemność cieplną
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 112
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
241 Skład mieszaniny
Rys 241 Przykład mieszaniny gazoacutew
W zbiorniku (rys 241) znajduje się mieszanina (roztwoacuter) kilku gazoacutew doskonałych (np1-
atomowy gaz A (czerwony) - 2-atomowy gaz B (niebieski) 3-atomowy gaz C (zielony)
Objętość zbiornika wynosi V [m3] ciśnienie gazu w zbiorniku wynosi p [Pa] a temperatura
T [K] Masa mieszaniny wynosi Mm [kg]
Masa mieszaniny Mm jest sumą mas tworzących ją gazoacutew a więc
CBAm MMMM
Ilość cząstek gazu w mieszaninie jest sumą cząstek tworzących ją gazoacutew a zatem liczba
kilomoli mieszaniny nm będzie roacutewnież sumą liczb kilomoli tworzących ją gazoacutew
CBAm nnnn
Skład mieszaniny określa się za pomocą udziałoacutew masowych (kilogramowych
gramowych) kilomolowych (molowych) lub objętościowych
Udział masowy gi - jest to stosunek masy danego składnika mieszaniny do masy mieszaniny
1gM
Mg
i
i
m
ii (241)
gdzie Mi ndash masa danego składnika mieszaniny (i = A B C) Mm ndash masa mieszaniny
(roztworu)
Udział molowy zi - jest to stosunek liczby kilomoli danego składnika do liczby kilomoli
mieszaniny
i
i
m
ii 1zn
nz (242)
gdzie ni ndash liczba kilomoli danego składnika mieszaniny nm ndash liczba kilomoli mieszaniny
p T V
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 122
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Udział objętościowy
Wyobraźmy sobie że cząsteczki gazoacutew tworzących roztwoacuter (rys242a) zostały
w zbiorniku rozdzielone tak że każdy gaz zajmuje pewną objętość zbiornika ale ciśnienie
i temperatura każdego gazu są takie same jak ciśnienie i temperatura roztworu (rys 242b)
W zbiorniku panuje nadal ciśnienie p i temperatura T zbiornik nadal ma objętość V Masa gazoacutew
w zbiorniku nadal wynosi Mm Każdy gaz tworzący roztwoacuter zajmuje pewną część zbiornika
o objętości Vi w ktoacuterej roacutewnież panuje ciśnienie p i temperatura T
a) b)
Rys 242 Mieszanina gazoacutew ndash a) gazy rozdzielone - b)
Można zatem napisać
VVVV CBA
Stosunek objętości każdego składnika do objętości roztworu jest nazywany udziałem
objętościowym
i
ii
i 1rV
Vr (243)
Powyższa zależność tylko wtedy jest prawdziwa gdy zaroacutewno objętości Vi jak i objętość V
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i w tej samej temperaturze
Dla podkreślenia ważności tego warunku stosuje się często następujący zapis udziału
objętościowego
119903119894 = (119881119894
119881)
119901119879
p T p T p T
VB VA VC
VCVBVAV
p T V
p
T
VA
MA
p
T
VB
MB
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 132
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W przypadku gazoacutew doskonałych udział objętościowy jest identyczny z udziałem kilomolowym
(molowym)
ii zr
n
n
n
n
V
V i
m
iii
(244)
mi - objętości kilomolowe gazoacutew doskonałych w tej samej temperaturze i przy tym
samym ciśnieniu są jednakowe (wynika z prawa Avogadra)
242 Parametry mieszaniny
Masa mieszaniny
CBAm MMMM
Liczba kilomoli mieszaniny
CBAm nnnn
Objętość mieszaniny
VVVV CBA - pod warunkiem że wszystkie objętości
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i przy tej samej temperaturze (rys 242)
Indywidualna stała gazowa mieszaniny
Napiszemy roacutewnania stanu gazu dla każdego gazu zajmującego osobną objętość (rys 242b)
gaz A TRnTRMVp AAAA
gaz B TRnTRMVp BBBB (245)
gaz C TRnTRMVp CCCC
Dodajemy pierwszą i drugą kolumnę wszystkich roacutewnań
T)RMRMRM(VVVp CCBBAACBA
Uwzględniając w powyższym roacutewnaniu
mii
m
ii MgM
M
Mg oraz VVVV CBA
otrzymamy
TRMTRgRgRgMVp mmCCBBAAm )(
gdzie
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 142
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
CCBBAAm RgRgRgR (246)
Rm - indywidualna stała gazowa mieszaniny (można ją roacutewnież wyznaczyć z zależności (2413)
Roacutewnanie stanu mieszaniny można zatem zapisać następująco
TRMVp mm (247)
Dodając pierwszą i trzecią kolumnę roacutewnań (245) otrzymamy
TR)nnn(VVVp CBACBA
gdzie VVVV CBA - objętość mieszaniny
CBAm nnnn - liczba kilomoli mieszaniny
a zatem roacutewnanie stanu mieszaniny można zapisać roacutewnież następująco
TRnVp m (248)
lub TRp m (249)
Zapis roacutewnania stanu gazu dla mieszaniny w postaci (247) (248) i (249) niczym nie
roacuteżni się od zapisu roacutewnania stanu gazu dla pojedynczego gazu Roacuteżni je sposoacuteb wyznaczania
indywidualnej stałej gazowej masy objętości i liczby kilomoli
Objętość właściwa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
m
gggM
M
M
M
M
M
M
MMM
M
VVV
M
V
CCBBAAm gυgυgυυ (2410)
Gęstość mieszaniny
CCBBAAC
CB
BA
A
CCBBAACBAmm
rrrV
V
V
V
V
V
V
VVV
V
MMM
V
M
CCBBAAm rρrρrρρ (2411)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 72
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TkTmpmw
E ddkd
2
3
152732
3
2
0
2 (235)
Przy stałym ciśnieniu energia kinetyczna ruchu postępowego cząstek zmienia się więc liniowo
z temperaturą Wniosek ten można uogoacutelnić za pomocą teorii molekularnej z ktoacuterej wynika że
przepływ ciepła pomiędzy dwoma gazami trwa do chwili gdy średnie energie kinetyczne ruchu
postępowego cząstek tych gazoacutew zroacutewnają się
212
2
21
2
1
22TTgdy
mwmw dd
W tej samej temperaturze średnia energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki gazu
nie zależy od ciśnienia i rodzaju gazu Stąd dochodzi się do wniosku że średnia energia
kinetyczna ruchu postępowego cząsteczek gazu jest wprost proporcjonalna do temperatury
bezwzględnej i że wspoacutełczynnik k w roacutewnaniu (235) jest stałą uniwersalną - nazywa się ją stałą
Boltzmanna
k = 138053 10-26 kJK
Z roacutewnań (231) i (235) wynika
Tm
kwp
d
2
3
1
Tm
kp
d
(236)
lub
TRυp (237)
gdzie
constm
kR
d
nazywa się indywidualną stałą gazową Roacutewnanie (237) zwane roacutewnież roacutewnaniem
Clapeyrona wyraża termiczne roacutewnanie stanu gazoacutew doskonałych i poacutełdoskonałych Nosi też
nazwę roacutewnania stanu gazu
Po pomnożeniu obydwu stron roacutewnania (236) przez masę kilomolową Mμ otrzymuje się
Tm
MkMT
m
kMp
dd
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 82
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W tym roacutewnaniu
M kilomolowa objętośćwłaściwa [m3kmol]
dm
M
liczba Avogadra
A zatem (po uwzględnieniu jednostek)
RKkmol
J
m
Mk
d
783141002283610380531 2626 (238)
Kkmol
JR
78314 - uniwersalna stała gazowa
czyli
TRυp μ (239)
Zapisując roacutewnanie (238) następująco
MRM
m
k
m
MkR
dd
uzyskuje się inny najczęściej wykorzystywany zapis indywidualnej stałej gazowej
Kkg
J
M
RR
(2310)
Inne postaci roacutewnania Clapeyrona
Po pomnożeniu przez masę M obydwu stron roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
otrzymuje się
TRMMp
czyli
TRMVp (2311)
Po podstawieniu do powyższego roacutewnania
M
RRorazMnM
otrzymuje się
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 92
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TRnTM
RMnVp
a zatem
TRnVp (2312)
Podstawiając do roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
następującą zależność
1
gdzie ρ [kgm3] ndash gęstość
120588 =119872
119881 [
119896119892
1198983]
otrzymuje się
TRρp (2313)
Obliczenie kilomolowej objętości właściwej w normalnych warunkach fizycznych
TRp
stąd
kmol
m
Pa
KKkmol
J
p
TR
N
NN
3
422101325
2738315
Przykład
Dwutlenek węgla CO2 w ilości 66 kg znajduje się pod ciśnieniem bezwzględnym 05 MPa
w temperaturze 57degC Wyznaczyć objętość zajmowaną przez gaz ilość kilomoli oraz objętość
właściwą i gęstość po uprzednim obliczeniu kilomolowej objętości właściwej
Rozwiązanie
a Objętość można wyznaczyć z roacutewnania stanu w postaci (2311)
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877 ∙ 119879
Indywidualna stała gazowa CO2 wynosi (2310)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 102
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
119877 =
119872120583=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
44 119896119892
119896119898119900119897
= 189 119869
119896119892 ∙ 119870
gdzie 119872120583 = 12 + 32 = 44 119896119892
119896119898119900119897minus masa kilomolowa CO2
119881 =119872 ∙ 119877 ∙ 119879
119901=
66 119896119892 ∙ 189119869
119896119892 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119875119886= 824 1198983
b Ilość kilomoli
119899 =119872
119872120583=
66 119896119892
44119896119892
119896119898119900119897
= 15 119896119898119900119897
c Kilomolowa objętość właściwa z roacutewnania (239)
TRυp μ
119907120583 = ∙ 119879
119901=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119872119875119886= 55
1198983
119896119898119900119897
d Objętość właściwa z zależności (226)
119907 =119907120583
119872120583=
551198983
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0125 1198983
119896119892
e Gęstość
120588 =1
119907=
1
01251198983
119896119892
= 8119896119892
1198983
24 Mieszaniny gazoacutew doskonałych
W technice często spotyka się mieszaniny (roztwory) gazoacutew czego przykładem jest
powietrze zawierające wiele gazoacutew jednorodnych Innym bardzo typowym rodzajem
mieszaniny gazoacutew są spaliny otrzymane po spaleniu paliwa
Gazy mają tę charakterystyczną właściwość że mieszają się zawsze ze sobą w dowolnych
proporcjach wskutek dyfuzji przy czym po dostatecznie długim czasie ustala się stan
roacutewnowagi w ktoacuterym skład mieszaniny jest jednorodny w całej masie gazu
Roztwoacuter gazoacutew doskonałych można traktować jako jednorodny gaz doskonały jeśli do
roacutewnań stanu wprowadzi się zastępczą stałą gazową Rm oraz określi zastępczą masę molową
Mμm i zastępczą pojemność cieplną
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 112
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
241 Skład mieszaniny
Rys 241 Przykład mieszaniny gazoacutew
W zbiorniku (rys 241) znajduje się mieszanina (roztwoacuter) kilku gazoacutew doskonałych (np1-
atomowy gaz A (czerwony) - 2-atomowy gaz B (niebieski) 3-atomowy gaz C (zielony)
Objętość zbiornika wynosi V [m3] ciśnienie gazu w zbiorniku wynosi p [Pa] a temperatura
T [K] Masa mieszaniny wynosi Mm [kg]
Masa mieszaniny Mm jest sumą mas tworzących ją gazoacutew a więc
CBAm MMMM
Ilość cząstek gazu w mieszaninie jest sumą cząstek tworzących ją gazoacutew a zatem liczba
kilomoli mieszaniny nm będzie roacutewnież sumą liczb kilomoli tworzących ją gazoacutew
CBAm nnnn
Skład mieszaniny określa się za pomocą udziałoacutew masowych (kilogramowych
gramowych) kilomolowych (molowych) lub objętościowych
Udział masowy gi - jest to stosunek masy danego składnika mieszaniny do masy mieszaniny
1gM
Mg
i
i
m
ii (241)
gdzie Mi ndash masa danego składnika mieszaniny (i = A B C) Mm ndash masa mieszaniny
(roztworu)
Udział molowy zi - jest to stosunek liczby kilomoli danego składnika do liczby kilomoli
mieszaniny
i
i
m
ii 1zn
nz (242)
gdzie ni ndash liczba kilomoli danego składnika mieszaniny nm ndash liczba kilomoli mieszaniny
p T V
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 122
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Udział objętościowy
Wyobraźmy sobie że cząsteczki gazoacutew tworzących roztwoacuter (rys242a) zostały
w zbiorniku rozdzielone tak że każdy gaz zajmuje pewną objętość zbiornika ale ciśnienie
i temperatura każdego gazu są takie same jak ciśnienie i temperatura roztworu (rys 242b)
W zbiorniku panuje nadal ciśnienie p i temperatura T zbiornik nadal ma objętość V Masa gazoacutew
w zbiorniku nadal wynosi Mm Każdy gaz tworzący roztwoacuter zajmuje pewną część zbiornika
o objętości Vi w ktoacuterej roacutewnież panuje ciśnienie p i temperatura T
a) b)
Rys 242 Mieszanina gazoacutew ndash a) gazy rozdzielone - b)
Można zatem napisać
VVVV CBA
Stosunek objętości każdego składnika do objętości roztworu jest nazywany udziałem
objętościowym
i
ii
i 1rV
Vr (243)
Powyższa zależność tylko wtedy jest prawdziwa gdy zaroacutewno objętości Vi jak i objętość V
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i w tej samej temperaturze
Dla podkreślenia ważności tego warunku stosuje się często następujący zapis udziału
objętościowego
119903119894 = (119881119894
119881)
119901119879
p T p T p T
VB VA VC
VCVBVAV
p T V
p
T
VA
MA
p
T
VB
MB
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 132
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W przypadku gazoacutew doskonałych udział objętościowy jest identyczny z udziałem kilomolowym
(molowym)
ii zr
n
n
n
n
V
V i
m
iii
(244)
mi - objętości kilomolowe gazoacutew doskonałych w tej samej temperaturze i przy tym
samym ciśnieniu są jednakowe (wynika z prawa Avogadra)
242 Parametry mieszaniny
Masa mieszaniny
CBAm MMMM
Liczba kilomoli mieszaniny
CBAm nnnn
Objętość mieszaniny
VVVV CBA - pod warunkiem że wszystkie objętości
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i przy tej samej temperaturze (rys 242)
Indywidualna stała gazowa mieszaniny
Napiszemy roacutewnania stanu gazu dla każdego gazu zajmującego osobną objętość (rys 242b)
gaz A TRnTRMVp AAAA
gaz B TRnTRMVp BBBB (245)
gaz C TRnTRMVp CCCC
Dodajemy pierwszą i drugą kolumnę wszystkich roacutewnań
T)RMRMRM(VVVp CCBBAACBA
Uwzględniając w powyższym roacutewnaniu
mii
m
ii MgM
M
Mg oraz VVVV CBA
otrzymamy
TRMTRgRgRgMVp mmCCBBAAm )(
gdzie
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 142
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
CCBBAAm RgRgRgR (246)
Rm - indywidualna stała gazowa mieszaniny (można ją roacutewnież wyznaczyć z zależności (2413)
Roacutewnanie stanu mieszaniny można zatem zapisać następująco
TRMVp mm (247)
Dodając pierwszą i trzecią kolumnę roacutewnań (245) otrzymamy
TR)nnn(VVVp CBACBA
gdzie VVVV CBA - objętość mieszaniny
CBAm nnnn - liczba kilomoli mieszaniny
a zatem roacutewnanie stanu mieszaniny można zapisać roacutewnież następująco
TRnVp m (248)
lub TRp m (249)
Zapis roacutewnania stanu gazu dla mieszaniny w postaci (247) (248) i (249) niczym nie
roacuteżni się od zapisu roacutewnania stanu gazu dla pojedynczego gazu Roacuteżni je sposoacuteb wyznaczania
indywidualnej stałej gazowej masy objętości i liczby kilomoli
Objętość właściwa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
m
gggM
M
M
M
M
M
M
MMM
M
VVV
M
V
CCBBAAm gυgυgυυ (2410)
Gęstość mieszaniny
CCBBAAC
CB
BA
A
CCBBAACBAmm
rrrV
V
V
V
V
V
V
VVV
V
MMM
V
M
CCBBAAm rρrρrρρ (2411)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 82
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W tym roacutewnaniu
M kilomolowa objętośćwłaściwa [m3kmol]
dm
M
liczba Avogadra
A zatem (po uwzględnieniu jednostek)
RKkmol
J
m
Mk
d
783141002283610380531 2626 (238)
Kkmol
JR
78314 - uniwersalna stała gazowa
czyli
TRυp μ (239)
Zapisując roacutewnanie (238) następująco
MRM
m
k
m
MkR
dd
uzyskuje się inny najczęściej wykorzystywany zapis indywidualnej stałej gazowej
Kkg
J
M
RR
(2310)
Inne postaci roacutewnania Clapeyrona
Po pomnożeniu przez masę M obydwu stron roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
otrzymuje się
TRMMp
czyli
TRMVp (2311)
Po podstawieniu do powyższego roacutewnania
M
RRorazMnM
otrzymuje się
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 92
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TRnTM
RMnVp
a zatem
TRnVp (2312)
Podstawiając do roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
następującą zależność
1
gdzie ρ [kgm3] ndash gęstość
120588 =119872
119881 [
119896119892
1198983]
otrzymuje się
TRρp (2313)
Obliczenie kilomolowej objętości właściwej w normalnych warunkach fizycznych
TRp
stąd
kmol
m
Pa
KKkmol
J
p
TR
N
NN
3
422101325
2738315
Przykład
Dwutlenek węgla CO2 w ilości 66 kg znajduje się pod ciśnieniem bezwzględnym 05 MPa
w temperaturze 57degC Wyznaczyć objętość zajmowaną przez gaz ilość kilomoli oraz objętość
właściwą i gęstość po uprzednim obliczeniu kilomolowej objętości właściwej
Rozwiązanie
a Objętość można wyznaczyć z roacutewnania stanu w postaci (2311)
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877 ∙ 119879
Indywidualna stała gazowa CO2 wynosi (2310)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 102
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
119877 =
119872120583=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
44 119896119892
119896119898119900119897
= 189 119869
119896119892 ∙ 119870
gdzie 119872120583 = 12 + 32 = 44 119896119892
119896119898119900119897minus masa kilomolowa CO2
119881 =119872 ∙ 119877 ∙ 119879
119901=
66 119896119892 ∙ 189119869
119896119892 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119875119886= 824 1198983
b Ilość kilomoli
119899 =119872
119872120583=
66 119896119892
44119896119892
119896119898119900119897
= 15 119896119898119900119897
c Kilomolowa objętość właściwa z roacutewnania (239)
TRυp μ
119907120583 = ∙ 119879
119901=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119872119875119886= 55
1198983
119896119898119900119897
d Objętość właściwa z zależności (226)
119907 =119907120583
119872120583=
551198983
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0125 1198983
119896119892
e Gęstość
120588 =1
119907=
1
01251198983
119896119892
= 8119896119892
1198983
24 Mieszaniny gazoacutew doskonałych
W technice często spotyka się mieszaniny (roztwory) gazoacutew czego przykładem jest
powietrze zawierające wiele gazoacutew jednorodnych Innym bardzo typowym rodzajem
mieszaniny gazoacutew są spaliny otrzymane po spaleniu paliwa
Gazy mają tę charakterystyczną właściwość że mieszają się zawsze ze sobą w dowolnych
proporcjach wskutek dyfuzji przy czym po dostatecznie długim czasie ustala się stan
roacutewnowagi w ktoacuterym skład mieszaniny jest jednorodny w całej masie gazu
Roztwoacuter gazoacutew doskonałych można traktować jako jednorodny gaz doskonały jeśli do
roacutewnań stanu wprowadzi się zastępczą stałą gazową Rm oraz określi zastępczą masę molową
Mμm i zastępczą pojemność cieplną
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 112
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
241 Skład mieszaniny
Rys 241 Przykład mieszaniny gazoacutew
W zbiorniku (rys 241) znajduje się mieszanina (roztwoacuter) kilku gazoacutew doskonałych (np1-
atomowy gaz A (czerwony) - 2-atomowy gaz B (niebieski) 3-atomowy gaz C (zielony)
Objętość zbiornika wynosi V [m3] ciśnienie gazu w zbiorniku wynosi p [Pa] a temperatura
T [K] Masa mieszaniny wynosi Mm [kg]
Masa mieszaniny Mm jest sumą mas tworzących ją gazoacutew a więc
CBAm MMMM
Ilość cząstek gazu w mieszaninie jest sumą cząstek tworzących ją gazoacutew a zatem liczba
kilomoli mieszaniny nm będzie roacutewnież sumą liczb kilomoli tworzących ją gazoacutew
CBAm nnnn
Skład mieszaniny określa się za pomocą udziałoacutew masowych (kilogramowych
gramowych) kilomolowych (molowych) lub objętościowych
Udział masowy gi - jest to stosunek masy danego składnika mieszaniny do masy mieszaniny
1gM
Mg
i
i
m
ii (241)
gdzie Mi ndash masa danego składnika mieszaniny (i = A B C) Mm ndash masa mieszaniny
(roztworu)
Udział molowy zi - jest to stosunek liczby kilomoli danego składnika do liczby kilomoli
mieszaniny
i
i
m
ii 1zn
nz (242)
gdzie ni ndash liczba kilomoli danego składnika mieszaniny nm ndash liczba kilomoli mieszaniny
p T V
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 122
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Udział objętościowy
Wyobraźmy sobie że cząsteczki gazoacutew tworzących roztwoacuter (rys242a) zostały
w zbiorniku rozdzielone tak że każdy gaz zajmuje pewną objętość zbiornika ale ciśnienie
i temperatura każdego gazu są takie same jak ciśnienie i temperatura roztworu (rys 242b)
W zbiorniku panuje nadal ciśnienie p i temperatura T zbiornik nadal ma objętość V Masa gazoacutew
w zbiorniku nadal wynosi Mm Każdy gaz tworzący roztwoacuter zajmuje pewną część zbiornika
o objętości Vi w ktoacuterej roacutewnież panuje ciśnienie p i temperatura T
a) b)
Rys 242 Mieszanina gazoacutew ndash a) gazy rozdzielone - b)
Można zatem napisać
VVVV CBA
Stosunek objętości każdego składnika do objętości roztworu jest nazywany udziałem
objętościowym
i
ii
i 1rV
Vr (243)
Powyższa zależność tylko wtedy jest prawdziwa gdy zaroacutewno objętości Vi jak i objętość V
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i w tej samej temperaturze
Dla podkreślenia ważności tego warunku stosuje się często następujący zapis udziału
objętościowego
119903119894 = (119881119894
119881)
119901119879
p T p T p T
VB VA VC
VCVBVAV
p T V
p
T
VA
MA
p
T
VB
MB
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 132
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W przypadku gazoacutew doskonałych udział objętościowy jest identyczny z udziałem kilomolowym
(molowym)
ii zr
n
n
n
n
V
V i
m
iii
(244)
mi - objętości kilomolowe gazoacutew doskonałych w tej samej temperaturze i przy tym
samym ciśnieniu są jednakowe (wynika z prawa Avogadra)
242 Parametry mieszaniny
Masa mieszaniny
CBAm MMMM
Liczba kilomoli mieszaniny
CBAm nnnn
Objętość mieszaniny
VVVV CBA - pod warunkiem że wszystkie objętości
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i przy tej samej temperaturze (rys 242)
Indywidualna stała gazowa mieszaniny
Napiszemy roacutewnania stanu gazu dla każdego gazu zajmującego osobną objętość (rys 242b)
gaz A TRnTRMVp AAAA
gaz B TRnTRMVp BBBB (245)
gaz C TRnTRMVp CCCC
Dodajemy pierwszą i drugą kolumnę wszystkich roacutewnań
T)RMRMRM(VVVp CCBBAACBA
Uwzględniając w powyższym roacutewnaniu
mii
m
ii MgM
M
Mg oraz VVVV CBA
otrzymamy
TRMTRgRgRgMVp mmCCBBAAm )(
gdzie
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 142
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
CCBBAAm RgRgRgR (246)
Rm - indywidualna stała gazowa mieszaniny (można ją roacutewnież wyznaczyć z zależności (2413)
Roacutewnanie stanu mieszaniny można zatem zapisać następująco
TRMVp mm (247)
Dodając pierwszą i trzecią kolumnę roacutewnań (245) otrzymamy
TR)nnn(VVVp CBACBA
gdzie VVVV CBA - objętość mieszaniny
CBAm nnnn - liczba kilomoli mieszaniny
a zatem roacutewnanie stanu mieszaniny można zapisać roacutewnież następująco
TRnVp m (248)
lub TRp m (249)
Zapis roacutewnania stanu gazu dla mieszaniny w postaci (247) (248) i (249) niczym nie
roacuteżni się od zapisu roacutewnania stanu gazu dla pojedynczego gazu Roacuteżni je sposoacuteb wyznaczania
indywidualnej stałej gazowej masy objętości i liczby kilomoli
Objętość właściwa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
m
gggM
M
M
M
M
M
M
MMM
M
VVV
M
V
CCBBAAm gυgυgυυ (2410)
Gęstość mieszaniny
CCBBAAC
CB
BA
A
CCBBAACBAmm
rrrV
V
V
V
V
V
V
VVV
V
MMM
V
M
CCBBAAm rρrρrρρ (2411)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 92
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
TRnTM
RMnVp
a zatem
TRnVp (2312)
Podstawiając do roacutewnania Clapeyrona w postaci
TRp
następującą zależność
1
gdzie ρ [kgm3] ndash gęstość
120588 =119872
119881 [
119896119892
1198983]
otrzymuje się
TRρp (2313)
Obliczenie kilomolowej objętości właściwej w normalnych warunkach fizycznych
TRp
stąd
kmol
m
Pa
KKkmol
J
p
TR
N
NN
3
422101325
2738315
Przykład
Dwutlenek węgla CO2 w ilości 66 kg znajduje się pod ciśnieniem bezwzględnym 05 MPa
w temperaturze 57degC Wyznaczyć objętość zajmowaną przez gaz ilość kilomoli oraz objętość
właściwą i gęstość po uprzednim obliczeniu kilomolowej objętości właściwej
Rozwiązanie
a Objętość można wyznaczyć z roacutewnania stanu w postaci (2311)
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877 ∙ 119879
Indywidualna stała gazowa CO2 wynosi (2310)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 102
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
119877 =
119872120583=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
44 119896119892
119896119898119900119897
= 189 119869
119896119892 ∙ 119870
gdzie 119872120583 = 12 + 32 = 44 119896119892
119896119898119900119897minus masa kilomolowa CO2
119881 =119872 ∙ 119877 ∙ 119879
119901=
66 119896119892 ∙ 189119869
119896119892 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119875119886= 824 1198983
b Ilość kilomoli
119899 =119872
119872120583=
66 119896119892
44119896119892
119896119898119900119897
= 15 119896119898119900119897
c Kilomolowa objętość właściwa z roacutewnania (239)
TRυp μ
119907120583 = ∙ 119879
119901=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119872119875119886= 55
1198983
119896119898119900119897
d Objętość właściwa z zależności (226)
119907 =119907120583
119872120583=
551198983
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0125 1198983
119896119892
e Gęstość
120588 =1
119907=
1
01251198983
119896119892
= 8119896119892
1198983
24 Mieszaniny gazoacutew doskonałych
W technice często spotyka się mieszaniny (roztwory) gazoacutew czego przykładem jest
powietrze zawierające wiele gazoacutew jednorodnych Innym bardzo typowym rodzajem
mieszaniny gazoacutew są spaliny otrzymane po spaleniu paliwa
Gazy mają tę charakterystyczną właściwość że mieszają się zawsze ze sobą w dowolnych
proporcjach wskutek dyfuzji przy czym po dostatecznie długim czasie ustala się stan
roacutewnowagi w ktoacuterym skład mieszaniny jest jednorodny w całej masie gazu
Roztwoacuter gazoacutew doskonałych można traktować jako jednorodny gaz doskonały jeśli do
roacutewnań stanu wprowadzi się zastępczą stałą gazową Rm oraz określi zastępczą masę molową
Mμm i zastępczą pojemność cieplną
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 112
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
241 Skład mieszaniny
Rys 241 Przykład mieszaniny gazoacutew
W zbiorniku (rys 241) znajduje się mieszanina (roztwoacuter) kilku gazoacutew doskonałych (np1-
atomowy gaz A (czerwony) - 2-atomowy gaz B (niebieski) 3-atomowy gaz C (zielony)
Objętość zbiornika wynosi V [m3] ciśnienie gazu w zbiorniku wynosi p [Pa] a temperatura
T [K] Masa mieszaniny wynosi Mm [kg]
Masa mieszaniny Mm jest sumą mas tworzących ją gazoacutew a więc
CBAm MMMM
Ilość cząstek gazu w mieszaninie jest sumą cząstek tworzących ją gazoacutew a zatem liczba
kilomoli mieszaniny nm będzie roacutewnież sumą liczb kilomoli tworzących ją gazoacutew
CBAm nnnn
Skład mieszaniny określa się za pomocą udziałoacutew masowych (kilogramowych
gramowych) kilomolowych (molowych) lub objętościowych
Udział masowy gi - jest to stosunek masy danego składnika mieszaniny do masy mieszaniny
1gM
Mg
i
i
m
ii (241)
gdzie Mi ndash masa danego składnika mieszaniny (i = A B C) Mm ndash masa mieszaniny
(roztworu)
Udział molowy zi - jest to stosunek liczby kilomoli danego składnika do liczby kilomoli
mieszaniny
i
i
m
ii 1zn
nz (242)
gdzie ni ndash liczba kilomoli danego składnika mieszaniny nm ndash liczba kilomoli mieszaniny
p T V
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 122
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Udział objętościowy
Wyobraźmy sobie że cząsteczki gazoacutew tworzących roztwoacuter (rys242a) zostały
w zbiorniku rozdzielone tak że każdy gaz zajmuje pewną objętość zbiornika ale ciśnienie
i temperatura każdego gazu są takie same jak ciśnienie i temperatura roztworu (rys 242b)
W zbiorniku panuje nadal ciśnienie p i temperatura T zbiornik nadal ma objętość V Masa gazoacutew
w zbiorniku nadal wynosi Mm Każdy gaz tworzący roztwoacuter zajmuje pewną część zbiornika
o objętości Vi w ktoacuterej roacutewnież panuje ciśnienie p i temperatura T
a) b)
Rys 242 Mieszanina gazoacutew ndash a) gazy rozdzielone - b)
Można zatem napisać
VVVV CBA
Stosunek objętości każdego składnika do objętości roztworu jest nazywany udziałem
objętościowym
i
ii
i 1rV
Vr (243)
Powyższa zależność tylko wtedy jest prawdziwa gdy zaroacutewno objętości Vi jak i objętość V
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i w tej samej temperaturze
Dla podkreślenia ważności tego warunku stosuje się często następujący zapis udziału
objętościowego
119903119894 = (119881119894
119881)
119901119879
p T p T p T
VB VA VC
VCVBVAV
p T V
p
T
VA
MA
p
T
VB
MB
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 132
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W przypadku gazoacutew doskonałych udział objętościowy jest identyczny z udziałem kilomolowym
(molowym)
ii zr
n
n
n
n
V
V i
m
iii
(244)
mi - objętości kilomolowe gazoacutew doskonałych w tej samej temperaturze i przy tym
samym ciśnieniu są jednakowe (wynika z prawa Avogadra)
242 Parametry mieszaniny
Masa mieszaniny
CBAm MMMM
Liczba kilomoli mieszaniny
CBAm nnnn
Objętość mieszaniny
VVVV CBA - pod warunkiem że wszystkie objętości
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i przy tej samej temperaturze (rys 242)
Indywidualna stała gazowa mieszaniny
Napiszemy roacutewnania stanu gazu dla każdego gazu zajmującego osobną objętość (rys 242b)
gaz A TRnTRMVp AAAA
gaz B TRnTRMVp BBBB (245)
gaz C TRnTRMVp CCCC
Dodajemy pierwszą i drugą kolumnę wszystkich roacutewnań
T)RMRMRM(VVVp CCBBAACBA
Uwzględniając w powyższym roacutewnaniu
mii
m
ii MgM
M
Mg oraz VVVV CBA
otrzymamy
TRMTRgRgRgMVp mmCCBBAAm )(
gdzie
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 142
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
CCBBAAm RgRgRgR (246)
Rm - indywidualna stała gazowa mieszaniny (można ją roacutewnież wyznaczyć z zależności (2413)
Roacutewnanie stanu mieszaniny można zatem zapisać następująco
TRMVp mm (247)
Dodając pierwszą i trzecią kolumnę roacutewnań (245) otrzymamy
TR)nnn(VVVp CBACBA
gdzie VVVV CBA - objętość mieszaniny
CBAm nnnn - liczba kilomoli mieszaniny
a zatem roacutewnanie stanu mieszaniny można zapisać roacutewnież następująco
TRnVp m (248)
lub TRp m (249)
Zapis roacutewnania stanu gazu dla mieszaniny w postaci (247) (248) i (249) niczym nie
roacuteżni się od zapisu roacutewnania stanu gazu dla pojedynczego gazu Roacuteżni je sposoacuteb wyznaczania
indywidualnej stałej gazowej masy objętości i liczby kilomoli
Objętość właściwa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
m
gggM
M
M
M
M
M
M
MMM
M
VVV
M
V
CCBBAAm gυgυgυυ (2410)
Gęstość mieszaniny
CCBBAAC
CB
BA
A
CCBBAACBAmm
rrrV
V
V
V
V
V
V
VVV
V
MMM
V
M
CCBBAAm rρrρrρρ (2411)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 102
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
119877 =
119872120583=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
44 119896119892
119896119898119900119897
= 189 119869
119896119892 ∙ 119870
gdzie 119872120583 = 12 + 32 = 44 119896119892
119896119898119900119897minus masa kilomolowa CO2
119881 =119872 ∙ 119877 ∙ 119879
119901=
66 119896119892 ∙ 189119869
119896119892 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119875119886= 824 1198983
b Ilość kilomoli
119899 =119872
119872120583=
66 119896119892
44119896119892
119896119898119900119897
= 15 119896119898119900119897
c Kilomolowa objętość właściwa z roacutewnania (239)
TRυp μ
119907120583 = ∙ 119879
119901=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870 ∙ 330 119870
05 ∙ 106 119872119875119886= 55
1198983
119896119898119900119897
d Objętość właściwa z zależności (226)
119907 =119907120583
119872120583=
551198983
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0125 1198983
119896119892
e Gęstość
120588 =1
119907=
1
01251198983
119896119892
= 8119896119892
1198983
24 Mieszaniny gazoacutew doskonałych
W technice często spotyka się mieszaniny (roztwory) gazoacutew czego przykładem jest
powietrze zawierające wiele gazoacutew jednorodnych Innym bardzo typowym rodzajem
mieszaniny gazoacutew są spaliny otrzymane po spaleniu paliwa
Gazy mają tę charakterystyczną właściwość że mieszają się zawsze ze sobą w dowolnych
proporcjach wskutek dyfuzji przy czym po dostatecznie długim czasie ustala się stan
roacutewnowagi w ktoacuterym skład mieszaniny jest jednorodny w całej masie gazu
Roztwoacuter gazoacutew doskonałych można traktować jako jednorodny gaz doskonały jeśli do
roacutewnań stanu wprowadzi się zastępczą stałą gazową Rm oraz określi zastępczą masę molową
Mμm i zastępczą pojemność cieplną
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 112
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
241 Skład mieszaniny
Rys 241 Przykład mieszaniny gazoacutew
W zbiorniku (rys 241) znajduje się mieszanina (roztwoacuter) kilku gazoacutew doskonałych (np1-
atomowy gaz A (czerwony) - 2-atomowy gaz B (niebieski) 3-atomowy gaz C (zielony)
Objętość zbiornika wynosi V [m3] ciśnienie gazu w zbiorniku wynosi p [Pa] a temperatura
T [K] Masa mieszaniny wynosi Mm [kg]
Masa mieszaniny Mm jest sumą mas tworzących ją gazoacutew a więc
CBAm MMMM
Ilość cząstek gazu w mieszaninie jest sumą cząstek tworzących ją gazoacutew a zatem liczba
kilomoli mieszaniny nm będzie roacutewnież sumą liczb kilomoli tworzących ją gazoacutew
CBAm nnnn
Skład mieszaniny określa się za pomocą udziałoacutew masowych (kilogramowych
gramowych) kilomolowych (molowych) lub objętościowych
Udział masowy gi - jest to stosunek masy danego składnika mieszaniny do masy mieszaniny
1gM
Mg
i
i
m
ii (241)
gdzie Mi ndash masa danego składnika mieszaniny (i = A B C) Mm ndash masa mieszaniny
(roztworu)
Udział molowy zi - jest to stosunek liczby kilomoli danego składnika do liczby kilomoli
mieszaniny
i
i
m
ii 1zn
nz (242)
gdzie ni ndash liczba kilomoli danego składnika mieszaniny nm ndash liczba kilomoli mieszaniny
p T V
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 122
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Udział objętościowy
Wyobraźmy sobie że cząsteczki gazoacutew tworzących roztwoacuter (rys242a) zostały
w zbiorniku rozdzielone tak że każdy gaz zajmuje pewną objętość zbiornika ale ciśnienie
i temperatura każdego gazu są takie same jak ciśnienie i temperatura roztworu (rys 242b)
W zbiorniku panuje nadal ciśnienie p i temperatura T zbiornik nadal ma objętość V Masa gazoacutew
w zbiorniku nadal wynosi Mm Każdy gaz tworzący roztwoacuter zajmuje pewną część zbiornika
o objętości Vi w ktoacuterej roacutewnież panuje ciśnienie p i temperatura T
a) b)
Rys 242 Mieszanina gazoacutew ndash a) gazy rozdzielone - b)
Można zatem napisać
VVVV CBA
Stosunek objętości każdego składnika do objętości roztworu jest nazywany udziałem
objętościowym
i
ii
i 1rV
Vr (243)
Powyższa zależność tylko wtedy jest prawdziwa gdy zaroacutewno objętości Vi jak i objętość V
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i w tej samej temperaturze
Dla podkreślenia ważności tego warunku stosuje się często następujący zapis udziału
objętościowego
119903119894 = (119881119894
119881)
119901119879
p T p T p T
VB VA VC
VCVBVAV
p T V
p
T
VA
MA
p
T
VB
MB
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 132
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W przypadku gazoacutew doskonałych udział objętościowy jest identyczny z udziałem kilomolowym
(molowym)
ii zr
n
n
n
n
V
V i
m
iii
(244)
mi - objętości kilomolowe gazoacutew doskonałych w tej samej temperaturze i przy tym
samym ciśnieniu są jednakowe (wynika z prawa Avogadra)
242 Parametry mieszaniny
Masa mieszaniny
CBAm MMMM
Liczba kilomoli mieszaniny
CBAm nnnn
Objętość mieszaniny
VVVV CBA - pod warunkiem że wszystkie objętości
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i przy tej samej temperaturze (rys 242)
Indywidualna stała gazowa mieszaniny
Napiszemy roacutewnania stanu gazu dla każdego gazu zajmującego osobną objętość (rys 242b)
gaz A TRnTRMVp AAAA
gaz B TRnTRMVp BBBB (245)
gaz C TRnTRMVp CCCC
Dodajemy pierwszą i drugą kolumnę wszystkich roacutewnań
T)RMRMRM(VVVp CCBBAACBA
Uwzględniając w powyższym roacutewnaniu
mii
m
ii MgM
M
Mg oraz VVVV CBA
otrzymamy
TRMTRgRgRgMVp mmCCBBAAm )(
gdzie
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 142
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
CCBBAAm RgRgRgR (246)
Rm - indywidualna stała gazowa mieszaniny (można ją roacutewnież wyznaczyć z zależności (2413)
Roacutewnanie stanu mieszaniny można zatem zapisać następująco
TRMVp mm (247)
Dodając pierwszą i trzecią kolumnę roacutewnań (245) otrzymamy
TR)nnn(VVVp CBACBA
gdzie VVVV CBA - objętość mieszaniny
CBAm nnnn - liczba kilomoli mieszaniny
a zatem roacutewnanie stanu mieszaniny można zapisać roacutewnież następująco
TRnVp m (248)
lub TRp m (249)
Zapis roacutewnania stanu gazu dla mieszaniny w postaci (247) (248) i (249) niczym nie
roacuteżni się od zapisu roacutewnania stanu gazu dla pojedynczego gazu Roacuteżni je sposoacuteb wyznaczania
indywidualnej stałej gazowej masy objętości i liczby kilomoli
Objętość właściwa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
m
gggM
M
M
M
M
M
M
MMM
M
VVV
M
V
CCBBAAm gυgυgυυ (2410)
Gęstość mieszaniny
CCBBAAC
CB
BA
A
CCBBAACBAmm
rrrV
V
V
V
V
V
V
VVV
V
MMM
V
M
CCBBAAm rρrρrρρ (2411)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 112
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
241 Skład mieszaniny
Rys 241 Przykład mieszaniny gazoacutew
W zbiorniku (rys 241) znajduje się mieszanina (roztwoacuter) kilku gazoacutew doskonałych (np1-
atomowy gaz A (czerwony) - 2-atomowy gaz B (niebieski) 3-atomowy gaz C (zielony)
Objętość zbiornika wynosi V [m3] ciśnienie gazu w zbiorniku wynosi p [Pa] a temperatura
T [K] Masa mieszaniny wynosi Mm [kg]
Masa mieszaniny Mm jest sumą mas tworzących ją gazoacutew a więc
CBAm MMMM
Ilość cząstek gazu w mieszaninie jest sumą cząstek tworzących ją gazoacutew a zatem liczba
kilomoli mieszaniny nm będzie roacutewnież sumą liczb kilomoli tworzących ją gazoacutew
CBAm nnnn
Skład mieszaniny określa się za pomocą udziałoacutew masowych (kilogramowych
gramowych) kilomolowych (molowych) lub objętościowych
Udział masowy gi - jest to stosunek masy danego składnika mieszaniny do masy mieszaniny
1gM
Mg
i
i
m
ii (241)
gdzie Mi ndash masa danego składnika mieszaniny (i = A B C) Mm ndash masa mieszaniny
(roztworu)
Udział molowy zi - jest to stosunek liczby kilomoli danego składnika do liczby kilomoli
mieszaniny
i
i
m
ii 1zn
nz (242)
gdzie ni ndash liczba kilomoli danego składnika mieszaniny nm ndash liczba kilomoli mieszaniny
p T V
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 122
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Udział objętościowy
Wyobraźmy sobie że cząsteczki gazoacutew tworzących roztwoacuter (rys242a) zostały
w zbiorniku rozdzielone tak że każdy gaz zajmuje pewną objętość zbiornika ale ciśnienie
i temperatura każdego gazu są takie same jak ciśnienie i temperatura roztworu (rys 242b)
W zbiorniku panuje nadal ciśnienie p i temperatura T zbiornik nadal ma objętość V Masa gazoacutew
w zbiorniku nadal wynosi Mm Każdy gaz tworzący roztwoacuter zajmuje pewną część zbiornika
o objętości Vi w ktoacuterej roacutewnież panuje ciśnienie p i temperatura T
a) b)
Rys 242 Mieszanina gazoacutew ndash a) gazy rozdzielone - b)
Można zatem napisać
VVVV CBA
Stosunek objętości każdego składnika do objętości roztworu jest nazywany udziałem
objętościowym
i
ii
i 1rV
Vr (243)
Powyższa zależność tylko wtedy jest prawdziwa gdy zaroacutewno objętości Vi jak i objętość V
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i w tej samej temperaturze
Dla podkreślenia ważności tego warunku stosuje się często następujący zapis udziału
objętościowego
119903119894 = (119881119894
119881)
119901119879
p T p T p T
VB VA VC
VCVBVAV
p T V
p
T
VA
MA
p
T
VB
MB
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 132
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W przypadku gazoacutew doskonałych udział objętościowy jest identyczny z udziałem kilomolowym
(molowym)
ii zr
n
n
n
n
V
V i
m
iii
(244)
mi - objętości kilomolowe gazoacutew doskonałych w tej samej temperaturze i przy tym
samym ciśnieniu są jednakowe (wynika z prawa Avogadra)
242 Parametry mieszaniny
Masa mieszaniny
CBAm MMMM
Liczba kilomoli mieszaniny
CBAm nnnn
Objętość mieszaniny
VVVV CBA - pod warunkiem że wszystkie objętości
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i przy tej samej temperaturze (rys 242)
Indywidualna stała gazowa mieszaniny
Napiszemy roacutewnania stanu gazu dla każdego gazu zajmującego osobną objętość (rys 242b)
gaz A TRnTRMVp AAAA
gaz B TRnTRMVp BBBB (245)
gaz C TRnTRMVp CCCC
Dodajemy pierwszą i drugą kolumnę wszystkich roacutewnań
T)RMRMRM(VVVp CCBBAACBA
Uwzględniając w powyższym roacutewnaniu
mii
m
ii MgM
M
Mg oraz VVVV CBA
otrzymamy
TRMTRgRgRgMVp mmCCBBAAm )(
gdzie
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 142
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
CCBBAAm RgRgRgR (246)
Rm - indywidualna stała gazowa mieszaniny (można ją roacutewnież wyznaczyć z zależności (2413)
Roacutewnanie stanu mieszaniny można zatem zapisać następująco
TRMVp mm (247)
Dodając pierwszą i trzecią kolumnę roacutewnań (245) otrzymamy
TR)nnn(VVVp CBACBA
gdzie VVVV CBA - objętość mieszaniny
CBAm nnnn - liczba kilomoli mieszaniny
a zatem roacutewnanie stanu mieszaniny można zapisać roacutewnież następująco
TRnVp m (248)
lub TRp m (249)
Zapis roacutewnania stanu gazu dla mieszaniny w postaci (247) (248) i (249) niczym nie
roacuteżni się od zapisu roacutewnania stanu gazu dla pojedynczego gazu Roacuteżni je sposoacuteb wyznaczania
indywidualnej stałej gazowej masy objętości i liczby kilomoli
Objętość właściwa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
m
gggM
M
M
M
M
M
M
MMM
M
VVV
M
V
CCBBAAm gυgυgυυ (2410)
Gęstość mieszaniny
CCBBAAC
CB
BA
A
CCBBAACBAmm
rrrV
V
V
V
V
V
V
VVV
V
MMM
V
M
CCBBAAm rρrρrρρ (2411)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 122
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Udział objętościowy
Wyobraźmy sobie że cząsteczki gazoacutew tworzących roztwoacuter (rys242a) zostały
w zbiorniku rozdzielone tak że każdy gaz zajmuje pewną objętość zbiornika ale ciśnienie
i temperatura każdego gazu są takie same jak ciśnienie i temperatura roztworu (rys 242b)
W zbiorniku panuje nadal ciśnienie p i temperatura T zbiornik nadal ma objętość V Masa gazoacutew
w zbiorniku nadal wynosi Mm Każdy gaz tworzący roztwoacuter zajmuje pewną część zbiornika
o objętości Vi w ktoacuterej roacutewnież panuje ciśnienie p i temperatura T
a) b)
Rys 242 Mieszanina gazoacutew ndash a) gazy rozdzielone - b)
Można zatem napisać
VVVV CBA
Stosunek objętości każdego składnika do objętości roztworu jest nazywany udziałem
objętościowym
i
ii
i 1rV
Vr (243)
Powyższa zależność tylko wtedy jest prawdziwa gdy zaroacutewno objętości Vi jak i objętość V
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i w tej samej temperaturze
Dla podkreślenia ważności tego warunku stosuje się często następujący zapis udziału
objętościowego
119903119894 = (119881119894
119881)
119901119879
p T p T p T
VB VA VC
VCVBVAV
p T V
p
T
VA
MA
p
T
VB
MB
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 132
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W przypadku gazoacutew doskonałych udział objętościowy jest identyczny z udziałem kilomolowym
(molowym)
ii zr
n
n
n
n
V
V i
m
iii
(244)
mi - objętości kilomolowe gazoacutew doskonałych w tej samej temperaturze i przy tym
samym ciśnieniu są jednakowe (wynika z prawa Avogadra)
242 Parametry mieszaniny
Masa mieszaniny
CBAm MMMM
Liczba kilomoli mieszaniny
CBAm nnnn
Objętość mieszaniny
VVVV CBA - pod warunkiem że wszystkie objętości
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i przy tej samej temperaturze (rys 242)
Indywidualna stała gazowa mieszaniny
Napiszemy roacutewnania stanu gazu dla każdego gazu zajmującego osobną objętość (rys 242b)
gaz A TRnTRMVp AAAA
gaz B TRnTRMVp BBBB (245)
gaz C TRnTRMVp CCCC
Dodajemy pierwszą i drugą kolumnę wszystkich roacutewnań
T)RMRMRM(VVVp CCBBAACBA
Uwzględniając w powyższym roacutewnaniu
mii
m
ii MgM
M
Mg oraz VVVV CBA
otrzymamy
TRMTRgRgRgMVp mmCCBBAAm )(
gdzie
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 142
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
CCBBAAm RgRgRgR (246)
Rm - indywidualna stała gazowa mieszaniny (można ją roacutewnież wyznaczyć z zależności (2413)
Roacutewnanie stanu mieszaniny można zatem zapisać następująco
TRMVp mm (247)
Dodając pierwszą i trzecią kolumnę roacutewnań (245) otrzymamy
TR)nnn(VVVp CBACBA
gdzie VVVV CBA - objętość mieszaniny
CBAm nnnn - liczba kilomoli mieszaniny
a zatem roacutewnanie stanu mieszaniny można zapisać roacutewnież następująco
TRnVp m (248)
lub TRp m (249)
Zapis roacutewnania stanu gazu dla mieszaniny w postaci (247) (248) i (249) niczym nie
roacuteżni się od zapisu roacutewnania stanu gazu dla pojedynczego gazu Roacuteżni je sposoacuteb wyznaczania
indywidualnej stałej gazowej masy objętości i liczby kilomoli
Objętość właściwa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
m
gggM
M
M
M
M
M
M
MMM
M
VVV
M
V
CCBBAAm gυgυgυυ (2410)
Gęstość mieszaniny
CCBBAAC
CB
BA
A
CCBBAACBAmm
rrrV
V
V
V
V
V
V
VVV
V
MMM
V
M
CCBBAAm rρrρrρρ (2411)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 132
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
W przypadku gazoacutew doskonałych udział objętościowy jest identyczny z udziałem kilomolowym
(molowym)
ii zr
n
n
n
n
V
V i
m
iii
(244)
mi - objętości kilomolowe gazoacutew doskonałych w tej samej temperaturze i przy tym
samym ciśnieniu są jednakowe (wynika z prawa Avogadra)
242 Parametry mieszaniny
Masa mieszaniny
CBAm MMMM
Liczba kilomoli mieszaniny
CBAm nnnn
Objętość mieszaniny
VVVV CBA - pod warunkiem że wszystkie objętości
są wyznaczone przy tym samym ciśnieniu i przy tej samej temperaturze (rys 242)
Indywidualna stała gazowa mieszaniny
Napiszemy roacutewnania stanu gazu dla każdego gazu zajmującego osobną objętość (rys 242b)
gaz A TRnTRMVp AAAA
gaz B TRnTRMVp BBBB (245)
gaz C TRnTRMVp CCCC
Dodajemy pierwszą i drugą kolumnę wszystkich roacutewnań
T)RMRMRM(VVVp CCBBAACBA
Uwzględniając w powyższym roacutewnaniu
mii
m
ii MgM
M
Mg oraz VVVV CBA
otrzymamy
TRMTRgRgRgMVp mmCCBBAAm )(
gdzie
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 142
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
CCBBAAm RgRgRgR (246)
Rm - indywidualna stała gazowa mieszaniny (można ją roacutewnież wyznaczyć z zależności (2413)
Roacutewnanie stanu mieszaniny można zatem zapisać następująco
TRMVp mm (247)
Dodając pierwszą i trzecią kolumnę roacutewnań (245) otrzymamy
TR)nnn(VVVp CBACBA
gdzie VVVV CBA - objętość mieszaniny
CBAm nnnn - liczba kilomoli mieszaniny
a zatem roacutewnanie stanu mieszaniny można zapisać roacutewnież następująco
TRnVp m (248)
lub TRp m (249)
Zapis roacutewnania stanu gazu dla mieszaniny w postaci (247) (248) i (249) niczym nie
roacuteżni się od zapisu roacutewnania stanu gazu dla pojedynczego gazu Roacuteżni je sposoacuteb wyznaczania
indywidualnej stałej gazowej masy objętości i liczby kilomoli
Objętość właściwa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
m
gggM
M
M
M
M
M
M
MMM
M
VVV
M
V
CCBBAAm gυgυgυυ (2410)
Gęstość mieszaniny
CCBBAAC
CB
BA
A
CCBBAACBAmm
rrrV
V
V
V
V
V
V
VVV
V
MMM
V
M
CCBBAAm rρrρrρρ (2411)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 142
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
CCBBAAm RgRgRgR (246)
Rm - indywidualna stała gazowa mieszaniny (można ją roacutewnież wyznaczyć z zależności (2413)
Roacutewnanie stanu mieszaniny można zatem zapisać następująco
TRMVp mm (247)
Dodając pierwszą i trzecią kolumnę roacutewnań (245) otrzymamy
TR)nnn(VVVp CBACBA
gdzie VVVV CBA - objętość mieszaniny
CBAm nnnn - liczba kilomoli mieszaniny
a zatem roacutewnanie stanu mieszaniny można zapisać roacutewnież następująco
TRnVp m (248)
lub TRp m (249)
Zapis roacutewnania stanu gazu dla mieszaniny w postaci (247) (248) i (249) niczym nie
roacuteżni się od zapisu roacutewnania stanu gazu dla pojedynczego gazu Roacuteżni je sposoacuteb wyznaczania
indywidualnej stałej gazowej masy objętości i liczby kilomoli
Objętość właściwa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
m
gggM
M
M
M
M
M
M
MMM
M
VVV
M
V
CCBBAAm gυgυgυυ (2410)
Gęstość mieszaniny
CCBBAAC
CB
BA
A
CCBBAACBAmm
rrrV
V
V
V
V
V
V
VVV
V
MMM
V
M
CCBBAAm rρrρrρρ (2411)
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 152
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Masa kilomolowa mieszaniny
CCBBAA
m
CC
m
BB
m
AA
m
CCBBAA
m
CBA
m
mm
rMrMrMn
nM
n
nM
n
nM
M
MnMnMn
n
MMM
n
MM
CμCBμBAμAμm rMrMrMM (2412)
Znając masę kilomolową mieszaniny można indywidualną stałą gazową wyznaczyć
roacutewnież z zależności
μm
mM
RR
(2413)
Masę kilomolową mieszaniny można roacutewnież wyznaczyć znając liczbę cząsteczek
poszczegoacutelnych gazoacutew i ich masy (przykład 2 a) albo liczby kilomoli gazoacutew i ich masy
kilomolowe (przykład 2 b)
Przykład 1
Skład mieszaniny jest następujący 21026 cząsteczek CO 05 1026 cząsteczek CO2 15
1026 cząsteczek O2
Masa cząsteczki CO wynosi 119898119889119862119874 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 28 = 4648 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki CO2 wynosi 1198981198891198621198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 44 = 7304 ∙ 10minus24 g
Masa cząsteczki O2 wynosi 1198981198891198742 = 166 ∙ 10minus24 ∙ 32 = 5312 ∙ 10minus24 g
A zatem masa CO wynosi 119872119862119874 = 4648 ∙ 10minus24 ∙ 2 ∙ 1026 = 928 119896119892
masa CO2 wynosi 1198721198621198742 = 73 ∙ 10minus24 ∙ 05 ∙ 1026 = 365 119896119892
masa O2 wynosi 1198721198742 = 531 ∙ 10minus24 ∙ 15 ∙ 1026 = 796 119896119892
Masa mieszaniny 119872119898 = 119872119888119900 + 1198721198621198742 + 1198721198742 = 2089 119896119892
Ilość cząsteczek w mieszaninie 2 ∙ 1026 + 05 ∙ 1026 + 15 ∙ 1026 = 4 ∙ 1026
Ilość kilomoli mieszaniny 119899119898 =4∙1026
6023∙1026= 0664 119896119898119900119897
Jeśli masa 0664 kmola mieszaniny wynosi 2089 kg to masa jednego kilomola tej mieszaniny
czyli jej masa kilomolowa wynosi
119872120583119898 =2089 119896119892
0664 119896119898119900119897= 3146
119896119892
119896119898119900119897
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 162
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Przykład 2
a) Skład mieszaniny jest następujący 1 kmol He 1 kmol H2 1 kmol CO2 Masy
kilomolowe tych gazoacutew wynoszą odpowiednio MμHe = 4 kgkmol MμH2 = 2 kgkmol MμCO2 =
44 kgkmol a ich masy wynoszą MHe = 4 kg MH2 = 2 kg MCO2 = 44 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 50 kg
Masa kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 6616
3
50
Te same gazy mogą tworzyć mieszaninę o zupełnie innej masie kilomolowej ndash zależy to od
ilości każdego gazu w mieszaninie czyli od składu mieszaniny
b) Niech mieszaninę tworzą te same gazy tylko w innych ilościach 12 kmol He 13 kmol
H2 05 kmol CO2 Ich masy wynoszą MHe = 48 kg MH2 = 26 kg MCO2 = 22 kg
Liczba kilomoli mieszaniny wynosi zatem nm = 3 kmol a masa mieszaniny Mm = 294 kg Masa
kilomolowa mieszaniny wynosi
kmol
kg
kmol
kg
n
MM
m
mm 89
3
429
A zatem jak potwierdza powyższy przykład
masa kilomolowa mieszaniny zależy od składu mieszaniny a więc od ilości każdego
z tworzących ją gazoacutew a nie tylko od ich rodzaju
Inny sposoacuteb wyznaczenia masy kilomolowej mieszaniny
Korzystając z zależności pomiędzy udziałami można masę kilomolową wyznaczyć
następująco
1rrr CBA
podstawiając (2417)
i
m
iiM
Mgr
otrzymuje się
1
1
C
C
B
B
A
Am
C
m
C
B
m
B
A
m
A
M
g
M
g
M
gM
M
M
M
M
M
Mg
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 172
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
i μi
i
μC
C
μB
B
μA
Aμm
M
g
1
M
g
M
g
M
g
1M
(2415)
Zależności pomiędzy udziałami
Wystarczy określić tylko zależności pomiędzy udziałami masowymi a kilomolowymi
jako że udziały kilomolowe i objętościowe są sobie roacutewne (244)
m
i
i
m
ii
m
ii
M
Mr
Mn
Mn
M
Mg
Podstawiając do powyższego roacutewnania
i
i
i
iR
RM
M
RR
R
RM
M
RR m
m
otrzymuje się
i
i
m
i
iiR
Rr
M
Mrg
`(2416)
albo
R
Rg
M
Mgr i
i
i
m
ii
(2417)
243 Prawo Daltona
Każdy z gazoacutew tworzących mieszaninę można traktować tak jakby sam zajmował całą
objętość mieszaniny przy takiej samej temperaturze jak temperatura mieszaniny a ciśnienie
jakie wtedy wywierałby jest ciśnieniem udziałowym pi Suma ciśnień udziałowych jest roacutewna
ciśnieniu mieszaniny p
i
iCBA ppppp (2418)
Zależność na ciśnienie udziałowe można otrzymać przeprowadzając następujące
rozumowanie Niech mieszaninę tworzą gazy A B i C Mieszanina znajduje się w zbiorniku
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 182
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
o objętości V W zbiorniku panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242a) Rozważymy dwa
przypadki
-przypadek I
Wyobraźmy sobie że każdy gaz zajmuje w tym zbiorniku osobną część ktoacuterą oznaczymy
VA VB VC i że w każdej części panuje ciśnienie p i temperatura T (rys 242b)
Rys 243 Układ zawierający kilka gazoacutew przed zmieszaniem
- przypadek II
Teraz wyobraźmy sobie że ze zbiornika został usunięty gaz B i C Całą objętość zbiornika
zajmuje teraz gaz A a zatem gaz A zajmuje objętość V jego temperatura wynosi nadal T jego
masa nie uległa zmianie a zatem musi ulec zmianie ciśnienie ktoacutere teraz wynosi pA Ciśnienie
pA jest nazywane ciśnieniem udziałowym
Rys 244 Układ zawierający tylko gaz A
Napiszemy roacutewnanie stanu gazu A dla obydwu przypadkoacutew
przypadek I TRMVp AAA
przypadek II TRMVp AAA
Roacutewnanie dla przypadku II jest nazywane udziałowym roacutewnaniem stanu gazu
Po podzieleniu obydwu roacutewnań stronami otrzymamy
AA V
V
p
p
Przypadek I
VB VA VC
VCVBVAV
p T p T p T
Przypadek II TVA
p
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 192
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Wiedząc że
AA r
V
V
otrzymamy
AAA r
V
V
p
p
skąd wyznaczymy ciśnienie udziałowe gazu A
AA rpp
Powtarzając ten sam tok postępowania dla gazoacutew B i C otrzymamy zależności
Brp
Bp
CC rpp
Ogoacutelny zapis ciśnienia udziałowego jest zatem następujący
ii rpp (2419)
Suma ciśnień udziałowych wynosi
prrrprprprpppp CBACBACBA
A zatem
i
i pp
Zależność na ciśnienie udziałowe gazu można roacutewnież wyznaczyć bezpośrednio
z roacutewnania udziałowego stanu gazu czyli z roacutewnania dla przypadku II w następującej postaci
- gaz A TRnVp AA
pzV
TRnz
V
TRnp A
mA
AA
- gaz B TRnVp BB
pzV
TRnz
V
TRnp B
mB
BB
- gaz C TRnVp CC
pzV
TRnz
V
TRnp C
mC
CC
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 202
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
Suma ciśnień udziałowych wynosi
pzzzpzpzpzpppp CBACBACBA
Przykład
Mieszanina gazoacutew powstała ze zmieszania 10 mN3 azotu N2 i 10 kg dwutlenku węgla CO2 ma
parametry ciśnienie p = 01 MPa temperatura T = 300 K Wyznaczyć
a) udziały masowe
b) udziały objętościowe
c) masę kilomolowa
d) stałą gazową
e) objętość mieszaniny
f) ciśnienia udziałowe składnikoacutew
Rozwiązanie
a) Udziały masowe 1198921198732 =1198721198992
119872 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872
1198721198732 =119901119873 ∙ 119881119873
1198771198732 ∙ 119879119873=
101325 119875119886 ∙ 10 1198983
297119869
119896119892 ∙ 119870∙ 273 119870
= 125 119896119892
1198771198732 =
1198721205831198732=
8315 119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
28 119896119892
119896119898119900119897
= 297119869
119896119892 ∙ 119870
Masę azotu można też obliczyć następująco
jeśli 1 kmol azotu zajmuje w normalnych warunkach fizycznych objętość 224 m3 a jego masa
wynosi 28 kg to masa azotu zawarta w 10 mN3 wynosi 1198721198732 = 28
119896119892
119896119898119900119897∙
10 1198983
224 1198983 = 12 5 119896119892
119872119898 = 1198721198992 + 1198721198881199002 = 125 119896119892 + 10 119896119892 = 225 119896119892
1198921198732 =1198721198992
119872119898=
125 119896119892
225 119896119892= 0555 1198921198621198742 =
1198721198621198742
119872119898=
10 119896119892
225 119896119892= 0445
b) Udziały objętościowe (2417)
1199031198732 = 1198921198732 ∙119872120583119898
1198721205831198732= 0555 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
28119896119892
119896119898119900119897
= 0662
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886
Gazy doskonałe i poacutełdoskonałe 212
Opracowanie dr inż Ewa Fudalej-Kostrzewa
1199031198621198742 = 1198921198621198742 ∙119872120583119898
1198721205831198621198742= 0445 ∙
334119896119892
119896119898119900119897
44119896119892
119896119898119900119897
= 0338
c) Masa molowa mieszaniny (2415)
119872120583119898 =1
1198921198732
1198721205831198732+
1198921198621198742
1198721205831198621198742
=1
0555
28119896119892
119896119898119900119897
+0445
44119896119892
119896119898119900119897
= 334119896119892
119896119898119900119897
d) Stała gazowa (2414)
119877119898 =
119872120583119898=
8315119869
119896119898119900119897 ∙ 119870
334119896119892
119896119898119900119897
= 249119869
119896119892 ∙ 119870
e) Objętość mieszaniny
119881 =119872119898 ∙ 119877119898 ∙ 119879
119901=
225 119896119892 ∙ 249119869
119896119892 ∙ 119870∙ 300119870
01 ∙ 106119875119886= 168 1198983
f) Ciśnienia udziałowe składnikoacutew (2419)
1199011198732 = 119901 ∙ 1199031198732 = 01 119872119875119886 ∙ 0662 = 00662 119872119875119886
1199011198621198742 = 119901 ∙ 11990311986202 = 01 119872119875119886 ∙ 0338 = 00338 119872119875119886