Lotność - gaz - Polski Serwis Naukowy

Lotność (aktywność ciśnieniowa, fugatywność) – termodynamicznie efektywne ciśnienie (lub ciśnienie cząstkowe) gazu. Gaz rzeczywisty wykazuje inne ciśnienie, niż wynikające z praw gazu doskonałego (dla którego lotność jest równa ciśnieniu). Stosunek lotności i ciśnienia to współczynnik lotności (współczynnik aktywności ciśnieniowej). Współczynnik lotności może być zarówno większy, jak i mniejszy od jedności:

Temperatura – jedna z podstawowych ) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

Ciśnienie to wielkość skalarna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa, co przedstawia zależność:

$f = \varphi p \,$

gdzie: f – lotność (aktywność ciśnieniowa) $\phi$ – współczynnik lotności (współczynnik aktywności gazu); dla gazu doskonałego $\phi = 1$ p – ciśnienie.

Lotność jest definiowana poprzez potencjał chemiczny μ: $\mu = \mu^{o} + RT \ln \left( \frac{f}{p^{o}}\right)$

gdzie: μ° – standardowy potencjał chemiczny p° – ciśnienie standardowe R – uniwersalna stała gazowa T – temperatura.

Doświadczalne wyznaczenie lotności f odpowiadającej ciśnieniu px polega na obliczeniu współczynnika lotności $\phi$ z poniższej zależności całkowej, na podstawie danych eksperymentalnych – po pomnożeniu przez ciśnienie px otrzymamy lotność f:

Równowaga reakcji chemicznych – stan, gdy reakcja w jedną i drugą stronę zachodzi z taką samą szybkością, więc stężenia reagentów nie zmieniają się w czasie.

Potencjał chemiczny – pochodna cząstkowa energii wewnętrznej po liczbie cząstek, przy stałej objętości i entropii układu. Oznaczany jest przez μ lub μi. Może być również definiowany jako pochodna cząstkowa innej funkcji stanu: entalpii, energii swobodnej czy entalpii swobodnej po liczbie cząstek, przy czym pochodna jest obliczona przy zachowanych innych parametrach: ciśnieniu czy też temperaturze. Pojęcie to wprowadził do nauki w 1875 r J.W. Gibbs. Odgrywa ono zasadniczą rolę w termodynamice chemicznej. Jest podstawą do definicji aktywności termodynamicznej, występuje w kryteriach równowagi procesów oraz stosowane jest do opisu układów złożonych i do wyprowadzenia stałych równowagi fazowej i chemicznej.

$\ln \varphi = \int\limits_{0}^{p_{x}} \frac{Z-1}{p} dp$

gdzie $Z = \frac{p V_{m}}{R T}$ – mierzony eksperymentalnie współczynnik ściśliwości gazu.

Jak łatwo zauważyć, dla gazu doskonałego (Z = 1) dostaniemy zawsze $\ln\phi = 0$ , skąd oczywiście $\phi = 1$ oraz $f = p$ .

Jeżeli znana jest postać algebraiczna zależności Z(p), np. współczynniki wirialnego równania stanu gazu B', C', D' ..., wówczas po scałkowaniu otrzymamy prostą zależność algebraiczną: $\ln \phi = B'p + \begin{matrix}\frac{1}{2}\end{matrix}C'p^{2} + \begin{matrix}\frac{1}{3}\end{matrix} D'p^{3} + ...$

Analizując wartość współczynnika lotności można określić charakter odchyleń od doskonałości dla danego gazu:

Wirialne równanie stanu gazu opisuje stan gazu rzeczywistego. Ma postać szeregu potęgowego (Kamerlingha - Onnesa), którego pierwszy człon stanowi równanie stanu gazu doskonałego. Z reguły równanie to jest podane dla 1 mola gazu, a więc zamiast objętości w równaniu pojawia się objętość molowa gazu .

Współczynnik aktywności to bezwymiarowy współczynnik pozwalający przeliczyć wielkości fizyczne o charakterze stężenia obliczane na podstawie ilości substancji i wielkości układu lub ciśnienie mierzone w sposób mechaniczny na wielkości o charakterze termodynamicznym nazywane aktywnością. Dla układów idealnych (gaz doskonały, roztwór doskonały) w których nie występują (lub mogą być pominięte) oddziaływania pomiędzy parami cząsteczek, a także w przypadku układów bardzo rozcieńczonych (niskie stężenie lub ciśnienie) współczynniki aktywności są równe jedności.

$\phi < 1$ – przeważają siły międzycząsteczkowego przyciągania

$\phi = 1$ – gaz zachowuje się podobnie do gazu doskonałego

$\phi > 1$ – przeważa międzycząsteczkowe odpychanie.

Aby móc prawidłowo analizować równowagi chemiczne przy wysokich ciśnieniach oraz gęstościach (warunki interesujące w zastosowaniach technologicznych), należałoby w miejsce ciśnień składników gazowych używać ich lotności.

Gaz rzeczywisty – pojęcie termodynamiczne oznaczające gaz, który nie zachowuje się ściśle zgodnie z prawami ustalonymi dla gazu doskonałego. W praktyce są to wszystkie gazy istniejące w realnym świecie, aczkolwiek przybliżenie gazu doskonałego może w wielu warunkach być do nich z powodzeniem zastosowane. Przybliżenie to zawodzi jednak w skrajnych warunkach, oraz gdy istnieje potrzeba dokonania bardzo dokładnych obliczeń w warunkach zbliżonych do normalnych.

Termodynamika - nauka o energii, dział fizyki zajmujący się badaniem energetycznych efektów wszelkich przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej analizowanych układów. Wbrew rozpowszechnionym sądom termodynamika nie zajmuje się wyłącznie przemianami cieplnymi, lecz także efektami energetycznymi reakcji chemicznych, przemian z udziałem jonów, przemianami fazowymi, a nawet przemianami jądrowymi i energią elektryczną.