TERMOTEHNIC Curs 7 , Angela Plea

1 4

Cap. 3 AMESTECURI DE GAZE PERFECTE

3.1 Proprietile i legile amestecurilor de gaze perfecteNot: Acest capitol este redat integral din cartea Bazele termotehnicii, publicat de prof.dr.ing.Teodor Mdran, n anul 1998, la editura Sincron, Cluj-Napoca, ISBN 973-9234-20-8.

n practic se utilizeaz rar substane pure ca ageni termodinamici. De cele mai multe ori seutilizeaz amestecuri de substane, respectiv amestecuri de gaze. De exemplu gazele de ardere suntformate din amestecul unor gaze ca: N2, CO2, CO, SO2, vapori de H2O, O2etc., sau aerul este nprincipal un amestec de N2 i O2. De aceea studiul amestecurilor de gaze prezint un deosebitinteres practic, procesele termodinamice dintr-un motor cu ardere intern, fiind mult mai uor detratat analitic dac se cunosc proprietile termofizice ale amestecului de gaze din cilindru, dectdac se lucreaz cu fiecare component n parte.

Prin amestec de gaze se nelege un amestec mecanic omogen, realizat prin difuzie ntremai multe gaze componente care i pstreaz fiecare proprietile chimice i ale crormolecule se rspndesc uniform n ntregul volum.

Conform acestei definiii ntr-un amestec de gze perfecte nu apar reacii chimice ntrecomponeni la temperatura i presiunea amestecului, fiecare component are proprietile gazelorperfecte i i pstreaz aceste proprieti. De asemenea, amestecul de gaze se supune legilorgazelor perfecte. Avnd n vedere definiia gazului perfect, confom creia volumul moleculelor esteneglijabil i nu exist fore intermoleculare, se admite c fiecare component se comport ca i cumar fi singur n spaiul care-i st la dispoziie.

n studiul amestecurilor de gaze se utilizeaz dou noiuni foarte importante:- Presiunea parial a unui component i dintr-un amestec de gaze (pi), este presiunea pe

care ar avea-o componentul respectiv, dac ar fi singur la temperatura i volumulamestecului. Presiunea parial este aceeai indiferent dac acel component ocup singur totvolumul, sau l ocup mpreun cu celelalte componente. Pentru a evidenia presiuneaparial a oxigenului i a azotului din aer se consider un rezervor prevzut cu treimanometre. Manometrele laterale sunt legate de rezervor prin intermediul unor filtreimaginare, care las s treac numai oxigenul, (cel din stnga), respectiv numai azotul (celdin dreapta). n aceste condiii cele dou manometre indic presiunea parial a oxigenului irespectiv cea a azotului, dac aer TO2 =TN2 = Taer.

Fig.3.1 Evidenierea presiunilor pariale i a legii lui Dalton

TERMOTEHNIC Curs 7 , Angela Plea

2 4

- Volumul parial al unui component i (Vi), este volumul componentului respectiv latemperatura i presiunea amestecului. Altfel spus, volumul parial este volumul pe care l-arocupa un component dup ce a fost comprimat de la presiunea parial proprie pn lapresiunea total a amestecului, fiind la aceeai temperatur cu amestecul. n figura 3.2 seprezint volumele pariale ale oxigenului i azotului din aer, obinute prin separareacomponenilor printr-un perete imaginar, mobil, astfel nct s se asigure aceeai presiunefiecrui component, egal cu presiunea amestecului i avnd temperatura acestuia.

Fig.3.2 Volume parialePe lng mrimile de stare folosite n mod curent, pentru descrierea analitic a proprietilor

amestecurilor de gaze sunt necesare mrimi care s precizeze compoziia acestora. n acest scop seutilizeaz:

- Participaia masic (gi) a unui component i, se definete prin raportul dintre masa acestuiami i masa ntregului amestec m:= 100 = 100 , [%] (3.1)

- Participaia volumic (ri) a unui component este raportul dintre volumul parial Vi alcomponentului respectiv i volumul total V al amestecului:= 100 , [%] (3.2)

- Participaia molar (fracia molar) (xi) este raportul dintre numrul de moli (sau kmoli)ai componentului ni i numrul de moli (kmoli) ai amestecului n:= 100 , [%] (3.3)Conform ecuaiei de bilan molecular: = (3.4)

Relaii utile de legtur ntre participaii:= = = = = = (3.5)= = // = = (3.6)Suma participaiilor masice, volumice i molare este egal cu 1, sau cu 100 dac sunt exprimate nprocente, astfel: = 1 ; = 1 ; = 1 ;

Amestecurile de gaze perfecte respect dou legi de baz:

TERMOTEHNIC Curs 7 , Angela Plea

3 4

Legea lui Dalton (1802) exprim relaia dintre presiunile pariale i presiunea amestecului: ntr-unamestec de gaze perfecte, care nu reacioneaz chimic ntre ele, fiecare gaz se comport ca i cum arocupa singur ntreg volumul amestecului, presiunea total a amestecului fiind egal cu sumapresiunilor pariale ale gazelor componente.= (3.7)Legea lui Amagat (1880) exprim relaia dintre volumele pariale i volumul amestecului: Volumulocupat de un amestec de gaze perfecte este egal cu suma volumelor pariale ale gazelorcomponente. = (3.8)Toate aceste relaii sunt dosebit de utile la verificarea compoziiei amestecurilor de gaze perfecte,determinate experimental sau prin calcul.

3.1 Mrimile fizice ale amestecurilor de gaze perfecteRelaiile de calcul a mrimilor fizice ale amestecurilor de gaze, n funcie de parametrii fizici aigazelor componente, sunt redate n tabelul 3.1.Nr. Mrimea specific a amestecului

de gaze Relaia de calcul Observaii1. Densitate amestec gaze = = 2. Volum amestec gaze = Legea lui Amagat3. Mas amestec gaze = = + +4. Presiune amestec = Legea lui Dalton5. Volum specific amestec = 6. Masa molar amestec = = Masa aparent,= 22,414 /7. Constanta de gaz pefect = = / = 83148. Presiunea parial a gazului i = = 9. Cldura specific masic a

amestecului = 10. Cldura specific volumic a

amestecului = 11. Cldura molar a amestecului = 12. Energia intern specific = 13. Entalpia specific = 14. Temperatur amestec = = 15. Relaii ntre participaii = = = = == = // = =

TERMOTEHNIC Curs 7 , Angela Plea

4 4

Exemplu 3.1Un amestec de O2 i N2 are densitatea de 1,4 kg/m3 la o presiunede 1,2 bar i o temperatur de300K. Se se determine:

a) Constanta de gaz perfect a amestecului i masa molar a acestuia;b) Participaiile volumice i masice ale amestecului;c) Presiunile pariale ale gazelor componente;d) Densitatea amestecului la starea normal fizic i tehnic.

Rezolvare:a) Din datele problemei se cunosc: = 1,4 ; = 1,2 ; = 300Ecuaia termic de stare pentru amestec se scrie sub forma: = == = 1,2 101,4 300 = 285,7 /Masa molar (aparent) a amestecului este:= = = 8314285,7 = 29,1 /b) Conform relaiilor = i = 1 rezult sistemul de ecuaii:+ = 1= + = 1 29,1 = 32 + 28 1 = 0,275= 0,725innd cont de relaia = , rezult participaiile masice ale gazelor componente:= = 0,275 3229,1 = 0,302= 1 = 1 0,302 = 0,697c) Conform relaiei = rezult presiunile pariale ale gazelor componente:= = 1,2 0,275 = 0,33= = 1,2 0,725 = 0,87

d) La starea fizic normal dat de = 273,15 = 101325 rezult:= = = 29,122,414 = 1,298 /La starea tehnic de = 293,15 = 1 rezult: = = = = 10285,7 293,15 = 1,193 /