Rozdział 9. Ogólne informacje o mieszaniu gazów.
Cele i zadania rozdziału:
Poznaj zasady bezpieczeństwa przeciwpożarowego podczas pracy z tlenem
Poznaj zasady postępowania i pracy z tlenem
Dowiedz się o stosowaniu „zasady 40%”
Poznaj różne systemy mieszania gazów.
Nowe terminy w tym rozdziale.
Trójkąt łatwopalny (niebezpieczny pożarowo).
Smar kompatybilny z tlenem
Ogrzewanie adiabatyczne (proces diesla)
czyszczenie tlenem
Zasada 40%.
Mieszanie ciśnień cząstkowych
Mieszanie ze stałym przepływem
Absorpcja z okresowym czyszczeniem absorbentu
separacja membranowa.
Jako nurek stosujący w swoich nurkowaniach wzbogacone mieszanki, musisz być w stanie uzyskać te mieszanki. Nie musisz wiedzieć, jak samodzielnie przygotować nitroks, jednak powinieneś wiedzieć, w jaki sposób jest on przygotowywany i jakie wymagania dotyczące czyszczenia sprzętu narzuca nitroks. W tym rozdziale dokonano przeglądu niektórych powszechnie stosowanych metod wytwarzania wzbogaconych mieszanek oraz omówiono ich zalety i wady. Mieszanka, którą wdychasz musi mieć odpowiednią zawartość tlenu.
1. Postępowanie i praca z tlenem.
Tlen jest niesamowitym gazem. Potrafi być zarówno przyjacielem, jak i wrogiem. Mieszając gazy do użytku nurkowego, operator musi uzyskać odpowiednią zawartość tlenu w mieszaninie pod wysokim ciśnieniem. Można tego dokonać mieszając czysty tlen z azotem lub powietrzem albo usuwając część azotu z powietrza. Głównym problemem związanym z mieszaniem tlenu pod wysokim ciśnieniem jest zagrożenie pożarowe. Wszystko, co nie jest całkowicie utlenione – a to oznacza praktycznie wszystko – będzie spalać się w tlenie pod wysokim ciśnieniem, jeśli obecne jest źródło zapłonu. Obchodzenie się z mieszaninami wiąże się z pewnym ryzykiem, ale obchodzenie się z czystym sprężonym tlenem stwarza znacznie większe ryzyko. Nurek korzystający ze wzbogaconych mieszanin nie musi być biegły w posługiwaniu się czystym tlenem, ale powinien mieć pewną wiedzę na temat zagrożeń związanych ze stosowaniem tlenu, gdy czynności nurka stają się bardziej złożone i rozległe.
2. Trójkąt łatwopalny (niebezpieczny pożarowo).
Aby zapobiec pożarowi, musisz wiedzieć, jakie elementy powodują i podtrzymują pożar. Elementy te pokazano na rysunku
w formie tzw. „trójkąta łatwopalnego lub niebezpiecznego pożarowo”. Ogień to szybka reakcja chemiczna pomiędzy paliwem i tlenem (utleniaczem), która może wystąpić tylko wtedy, gdy istnieje źródło zapłonu (ciepło). Utlenianie może nastąpić bez spalania, jak na przykład podczas procesu rdzewienia. Pożar pojawia się, gdy istnieje źródło zapłonu (ciepło). Po zapłonie w reakcji spalania chemicznego uwalniana jest energia (ciepło), która wspomaga dalsze spalanie. Jeśli usuniemy jeden ze składników (paliwo, tlen, źródło zapłonu), pożar nie może nastąpić. Jeśli zatem wszystkie trzy elementy nie będą obecne jednocześnie, zapobiegnie się pożarowi. Jeżeli płomień już istnieje, usunięcie jednego z elementów spowoduje zgaśnięcie płomienia. Są to podstawy teorii przeciwpożarowej. Inną ważną kwestią jest to, że ogień musi się rozprzestrzeniać, aby utrzymać swoje istnienie. Czasami chęć szerzenia ognia jest nawet dodawana jako kolejny element opisanego powyżej „trójkąta”.
3. Tlen.
W sytuacjach omówionych poniżej tlen występuje w stężeniach większych niż jego stężenie w powietrzu. Oznacza to, że utleniacz w „trójkącie łatwopalnym” jest zawsze obecny domyślnie i nie można go usunąć z tej „formuły ognia”. Każdy wie, że tlen atmosferyczny w odpowiednich warunkach może aktywnie uczestniczyć w reakcjach spalania, dlatego nie powinno dziwić, że wyższe stężenia mogą tylko zwiększyć ryzyko. Ponadto należy pamiętać, że zwiększona zawartość tlenu w powietrzu oznacza zmniejszoną zawartość gazu obojętnego. Z tego i kilku innych powodów intensywność spalania nie zależy liniowo od procentowej zawartości tlenu. Zależy ona zarówno od zawartości (udziału) tlenu w mieszaninie, jak i od jego ciśnienia cząstkowego i znacznie wzrasta wraz ze wzrostem tych parametrów.
4. Paliwo.
W tym akapicie porozmawiamy o paliwie dostępnym w systemie gazowym, które zapewnia wykorzystanie gazu do oddychania. Jeśli przy wysokim ciśnieniu tlenu dojdzie do pożaru, sam system może stać się paliwem dla reakcji chemicznej, ale do rozpalenia pożaru potrzebne jest coś bardziej łatwopalnego. Może to być oddzielna część układu, rozpuszczalnik, smar lub miękkie elementy układu (guma, plastik).
Niektóre paliwa stosowane w instalacjach gazowych mogą być praktycznie niepalne w normalnych warunkach i wysoce łatwopalne w środowisku wzbogaconym w tlen. Do paliw tego typu zalicza się smar silikonowy, kauczuk silikonowy, neopren, smary do sprężarek, wióry i zadziory z tworzyw sztucznych i metalu, substancje i materiały organiczne, różnego rodzaju pyły, a nawet smar na obręczach. Być może najbardziej niebezpiecznymi paliwami są różne smary. Panuje błędne przekonanie, że silikon (prawdopodobnie ze względu na egzotyczną nazwę) jest bezpieczny w połączeniu z tlenem. W rzeczywistości nie jest to prawdą. Istnieją specjalne smary kompatybilne z tlenem, takie jak Christo-lube, Krytox, Halocarbon. To właśnie te samosmarujące należy stosować w środowisku wzbogaconym w tlen.
5. Zapłon.
Niektóre źródła zapłonu są oczywiste, jednak większość z nich znajduje się poza instalacją gazową i nie jest przez nas brana pod uwagę. Dwa główne źródła zapłonu w układzie to tarcie i sprężanie gazu przechodzącego przez układ. Terminu „tarcie” używamy tu w sensie ogólnym: w sensie obecności jakichkolwiek cząstek w strumieniu gazu lub w sensie ruchu samego strumienia gazu i jego zderzenia z narożnikami gazociągów lub innymi przeszkodami . Inne zjawisko - to samo, które powoduje nagrzewanie się cylindra - może również spowodować pożar (jeśli uwolni się wystarczająca ilość ciepła). Jest to ten sam efekt, który powoduje zapalenie paliwa w cylindrach silnika wysokoprężnego bez świecy zapłonowej. Efekt ten nazywany jest „ogrzewaniem adiabatycznym (proces diesla)”.
Nagłe otwieranie i zamykanie zaworu butli podczas sprężania gazu może spowodować wzrost temperatury do punktu zapłonu, a jeśli w przepływie gazu znajdują się zanieczyszczenia, sam zapłon. Dlatego w sprężarkach nie stosuje się zaworów szybkiego przełączania („zaworów kulowych”).
6.Wykorzystanie instalacji tlenowych.
Ważnym przesłaniem tego rozdziału jest to, że ryzyko związane z obsługą tlenu można zminimalizować, przestrzegając pewnych zasad podczas projektowania i obsługi systemów. Szczególnie ważne jest unikanie ostrych narożników i zaworów szybkiej wymiany oraz stosowanie odpowiednich materiałów. Metale używane do produkcji systemów powietrznych nadają się również do produkcji systemów tlenowych. Jeśli chodzi o „miękkie elementy”, takie jak uszczelki, złącza elastyczne, membrany, należy je wymienić na takie, które są kompatybilne z tlenem. W niektórych przypadkach głównym kryterium jest mniejsza palność w tlenie, ale w większości przypadków jest to zwiększona odporność na tlen pod wysokim ciśnieniem. Dostępne są specjalne zestawy, które pozwalają na przekształcenie sprzętu pneumatycznego w sprzęt do stosowania nitroksu.
Należą do nich właściwe czyszczenie i konserwacja sprzętu, stosowanie odpowiednich smarów, obchodzenie się z gazami w sposób niepowodujący zapłonu oraz powolne i płynne otwieranie zaworów.
7. Sprzęt czyszczący do użytku z tlenem. Kilka uwag dotyczących czyszczenia sprzętu.
Koncepcja „czyszczenia tlenowego” powoduje pewne zamieszanie wśród nurków amatorów. Powodem jest to, że nie jest do końca jasne, czy sprzęt wymaga czyszczenia w przypadku stosowania z mieszaninami zawierającymi od 21% do 40% tlenu. Problem ten ma głębsze korzenie: nie ma opracowanych i ujednoliconych procedur przemysłowych postępowania z mieszaninami zawierającymi pośrednią ilość tlenu w zakresie od 21% (powietrze) do 100% (czysty tlen). Normy istnieją jedynie w zakresie postępowania z czystym tlenem; Zatem każda mieszanina zawierająca więcej niż 21% tlenu jest równoważna czystemu tlenowi według obecnych standardów. Dlatego też, aby wszystkie operacje mogły zostać wykonane zgodnie ze standardami branżowymi, każdą wzbogaconą mieszaninę należy traktować jak czysty tlen.
Stowarzyszenie Compressed Gas Association CGA, National Fire Protection Association NFPA, NASA i kilka innych organizacji zalecają traktowanie gazów o pośrednich stężeniach jak czysty tlen. Nie oznacza to jednak, że przeprowadzili jakiekolwiek badania w tym zakresie stężeń. Oznacza to tylko, że nie istnieją żadne przemysłowo opracowane i zaakceptowane standardy, a organizacje te wolą zajmować konserwatywne stanowisko. Z kolei Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych opracowała procedury stwierdzające, że mieszaniny o stężeniu tlenu do 40% można w celach manipulacyjnych traktować jak powietrze. Nie opublikowano wyników badań, które wskazywałyby na prawdziwość tego wniosku, jednakże podejście to jest praktykowane od wielu lat i nie ma żadnych doniesień o wypadkach związanych z tym zagadnieniem. NOAA przyjęła to stężenie graniczne podczas pracy z mieszaninami wzmocnionymi; NAUI ogólnie też, jednak z pewnymi ograniczeniami.
Czyste sprężone powietrze.
Kolejne zamieszanie pojawia się w związku z pojęciem „czystości powietrza”. Różne „stopnie” czystości gazów oddechowych stosowane przez różne stowarzyszenia i organizacje (CGA, US Navy) wprowadzają w błąd, jeśli chodzi o czystość wzbogaconej mieszaniny. Normy dopuszczają obecność w sprężonym powietrzu pewnej ilości oparów oleju (węglowodorów) (zwykle 5 mg/m3). Ilość ta jest bezpieczna z punktu widzenia oddychania, ale może być niebezpieczna z punktu widzenia pożaru podczas pracy ze sprężonym tlenem.
Tym samym nie ma ogólnie przyjętych i uzgodnionych stopni czystości powietrza, które określałyby jego przydatność do mieszania z czystym tlenem. Organy ustanawiające standardy branżowe zgodziły się, że poziomy węglowodorów są rzędu 0,1 mg/m3. m można uznać za akceptowalny dla powietrza, które „należy dodatkowo zmieszać z tlenem”. W ciągu ostatnich kilku lat dostępne stały się systemy filtrów (na zdjęciu) umożliwiające wytwarzanie sprężonego powietrza spełniającego te wymagania. Sprężarki zapobiegające kontaktowi powietrza ze smarem oczywiście lepiej radzą sobie z tym zadaniem, ale są znacznie droższe.Sformalizowane podejście do czyszczenia tlenowego.
Sformułowanie „czyszczenie tlenowe” brzmi również przerażająco z tego powodu, że jego przemysłowe wdrożenie wymaga przestrzegania dość rygorystycznych procedur. Te okresowe procedury są publikowane przez CGA i inne organizacje. Mają za zadanie zachować bezpieczeństwo podczas pracy ze sprężonym tlenem.
NAUI stwierdza, że każdy sprzęt przeznaczony do stosowania z czystym tlenem lub mieszaninami zawierającymi więcej niż 40% tlenu pod ciśnieniem większym niż 200 psi (około 13 atm) musi być kompatybilny z tlenem i oczyszczony do stosowania z tlenem. Należy oczyścić cylinder, pierwszy stopień reduktora i wszystkie węże. Niektóre elementy wyposażenia można przystosować do obsługi takich mieszanin, używając komponentów ze specjalnych zestawów.
8. Nieformalne podejście do czyszczenia tlenowego: „zasada 40%”
Pomimo braku formalnych testów, w branży nurkowej z powodzeniem stosowana jest tzw. „reguła 40%”, a jej stosowanie nie wykazało żadnych problemów. Miało miejsce wiele pożarów w systemach mieszania gazów nurkowych, ale były one spowodowane wyższym stężeniem tlenu.
NAUI akceptuje tę zasadę, ale wymaga czyszczenia sprzętu tlenem i stosowania smarów kompatybilnych z tlenem. Podejście to jest mniej rygorystyczne niż formalne, jednak prawidłowo wykonane jest bardzo skuteczne. Czyszczenie musi być wykonywane przez wykwalifikowanych techników.
Sprzęt należy oczyścić z wszelkich widocznych zabrudzeń i tłuszczu, a następnie szczotkować lub czyścić ultradźwiękowo przy użyciu silnego detergentu w gorącej wodzie. Płynne środki czyszczące, takie jak Joy, nadają się do użytku domowego. Czystość nie powinna być mniejsza niż oczekiwana w przypadku talerzy i sztućców. Po wyschnięciu miękkie elementy należy wymienić na kompatybilne z tlenem, po czym sprzęt nasmarować smarem kompatybilnym z tlenem.
Po czyszczeniu sprzęt powinien być używany wyłącznie do mieszanek wzbogaconych i nie powinien być używany ze sprężonym powietrzem, w przeciwnym razie konieczne będzie ponowne oczyszczenie.
9. Przygotowanie mieszanin wzbogaconych.
Tradycyjny schemat budowy systemu mieszania gazów opiera się na dodawaniu tlenu do powietrza w taki czy inny sposób. Niedawno opracowano i udostępniono dwie nowe metody, które wzbogacają powietrze w inny sposób - poprzez usuwanie azotu. W tej części omówione zostaną 3 metody dodawania tlenu: mieszanie wagowe, mieszanie pod ciśnieniem parcjalnym, mieszanie przy stałym przepływie; oraz 2 metody usuwania azotu: absorpcja z okresowym oczyszczaniem absorbentu, separacja membranowa (Ballantyne i Delp, 1996).
Rodzaj zastosowanego systemu mieszania gazów jest ważny dla użytkownika końcowego, ponieważ determinuje procedurę napełniania butli i zakres możliwych stężeń tlenu w powstałej mieszaninie.
Mieszanie gazów wagowo.
Najprostszą i najbardziej niezawodną metodą uzyskania mieszanek o dokładnym składzie jest zakup gotowych mieszanek. Przemysłowi producenci gazów zazwyczaj mieszają czysty tlen i czysty azot, a nie czysty tlen i powietrze.
Gazy mieszają się wagowo. Pozwala to zignorować wiele anomalii w zachowaniu gazów spowodowanych różnicą w ich zachowaniu od gazów idealnych i zapewnia bardzo dokładne określenie składu gazów w mieszaninach. Mieszanie można przeprowadzić w butlach, rzędach butli lub zbiornikach. Konieczne jest posiadanie dokładnych wag, które są dość drogie, ponieważ muszą być w stanie zmierzyć małe zmiany przy dużych ciężarach. Ta metoda mieszania gazów jest najdokładniejsza, a powstałe mieszaniny są dokładnie analizowane, aby mieć pewność, że rzeczywisty skład odpowiada deklarowanemu. Przygotowując takie mieszaniny, przedsiębiorstwo przemysłowe jest zmuszone używać czystego tlenu, ale sprzedawca detaliczny mieszanin może tego uniknąć. Metoda ta jest dość kosztowna, a jej koszt zwiększa fakt, że pojemniki do przechowywania mieszanin należą do dostawcy mieszanek i dlatego są wynajmowane przez sprzedającego mieszanki.
Mieszanie ciśnień cząstkowych.
Jak sama nazwa metody wskazuje, opiera się ona na stosunku ciśnień cząstkowych. Technik napełnia zbiornik określoną ilością tlenu (mierzoną wartością ciśnienia), następnie uzupełnia go ultraczystym powietrzem do pożądanego ciśnienia końcowego. Przede wszystkim tlen jest pompowany, gdy butla jest jeszcze pusta, co zmniejsza ryzyko pożaru podczas zabiegu, ponieważ nie ma potrzeby manipulowania tlenem przy pełnym ciśnieniu napełnionej butli. Ponieważ używany jest czysty tlen, cały system, łącznie z napełnianą butlą, musi być kompatybilny z tlenem i oczyszczony. Ponieważ ciśnienie zależy od temperatury, a butla nagrzewa się podczas napełniania, należy albo pozwolić butli ostygnąć, albo podczas pomiaru ciśnienia wziąć pod uwagę wpływ temperatury. Ponieważ ostateczną regulację składu często przeprowadza się po całkowitym ochłodzeniu cylindra, cały proces przygotowania mieszanki zajmuje dość dużo czasu. Proces ten można również zastosować do ponownego napełnienia pojemnika mieszaniną o znanym składzie w celu otrzymania mieszaniny o tym samym lub innym określonym składzie.
Sprężarka do mieszania przy użyciu tej metody nie jest wymagana, jeśli powietrze jest dostarczane pod ciśnieniem wystarczającym do napełnienia butli do nurkowania bez dodatkowego sprężania. Aby maksymalnie wykorzystać zestaw butli do napełniania, stosują tak zwaną „technologię kaskadową”, która polega na tym, że najpierw wykorzystuje się butlę do napełniania o najniższym ciśnieniu, a następnie butlę o najwyższym ciśnieniu i tak dalej. Czasami sama metoda nazywana jest „metodą mieszania kaskadowego”.
W tej metodzie często stosuje się również sprężarki. Nie mogą używać smarów olejowych lub muszą zapewniać powietrze o bardzo wysokiej czystości, nadające się do mieszania z tlenem. Innym sposobem wpompowania powietrza do cylindra jest zastosowanie pompy pneumatycznej, która spręża powietrze w zestawie cylindrów o różnych średnicach, których tłoki są połączone z tym samym wałkiem rozrządu. Ogna z najpopularniejszych modeli to Haskel.
Mieszanie pod ciśnieniem parcjalnym jest bardzo popularne wśród centrów nurkowych, które przygotowują w małych objętościach wiele różnych mieszanek do różnych celów nurkowania rekreacyjnego i technicznego, w tym mieszanki o zawartości tlenu powyżej 40%. W tym przypadku znaczną część kosztów systemu stanowi precyzyjny manometr. W tym przypadku bardzo skuteczne jest zastosowanie pompy pneumatycznej. Metodę tę stosuje się w odległych miejscach nurkowych. Ponieważ tlen jest dodawany pod niskim ciśnieniem, niektórzy technicy nie czyszczą butli z tlenem. Należy unikać tej praktyki: butlę należy zawsze oczyścić przed użyciem tlenu.
10. Mieszanie o stałym przepływie.
Metoda ta (zwana także metodą ładowania atmosferycznego) została po raz pierwszy opracowana przez NOAA (1979, 1991) i jest metodą najbardziej przyjazną dla użytkownika (Rysunek 9-7). W tej metodzie do strumienia powietrza wlotowego wchodzącego do sprężarki dodawany jest tlen pod niskim ciśnieniem, zapewniając wysoki stopień usunięcia oparów oleju. Strumień ścieków jest w sposób ciągły analizowany pod kątem składu, a wynik tej analizy wykorzystuje się do odpowiedniego dostosowania domieszki tlenu w strumieniu wlotowym. Strumień wyjściowy może ominąć zespół cylindrów napełniających podczas regulacji składu mieszaniny. Po wpompowaniu mieszaniny do butli uzupełniających można ją następnie przenieść do butli nurkowych za pomocą obejścia lub za pomocą pompy powietrza. Instalacja o stałym przepływie może również wykorzystywać podukład absorpcyjny jako źródło tlenu z okresowym oczyszczaniem absorbentu PSA.
Istnieje inna klasa jednostek o stałym przepływie, które dostarczają powietrze do nurka komercyjnego przez wąż doprowadzający powietrze. Instalacje takie posiadają środki monitorowania stałości składu mieszaniny – różne przepływomierze i regulatory. Ich ciśnienie wyjściowe jest zwykle mniejsze niż 200 psi (13 atm).
11. Absorpcja z okresowym czyszczeniem absorbentu (PSA).
Metoda ta opiera się na zastosowaniu materiału zwanego „sitem molekularnym” – syntetycznego porowatego materiału przypominającego glinę, którego pory zapewniają bardzo dużą powierzchnię. Powierzchnia ta adsorbuje gazy („adsorbować” oznacza „absorbować na powierzchni”). Azot jest adsorbowany szybciej niż tlen, przez co powietrze przechodzące przez adsorbent staje się bogatsze w tlen (dokładniej uboższe w azot). Stosowane są dwie płyty pochłaniające, pomiędzy którymi przełączany jest przepływ powietrza. Gdy przepływ skierowany jest na jedną płytę, adsorbuje ona azot, natomiast druga płyta w tym czasie jest oczyszczana z wcześniej zaadsorbowanego azotu. Następnie talerze zamieniają się rolami.
Zmieniając ciśnienie i częstotliwość czyszczenia płyt, można uzyskać różne wartości zawartości tlenu w mieszaninie wyjściowej. Maksymalna osiągalna zawartość tlenu wynosi 95%, pozostała część to argon. Argon zachowuje się w stosunku do tego typu adsorbentu niemal jak tlen (tj. nie jest adsorbowany), dlatego w mieszaninie wyjściowej będzie zawarty w niemal takich samych proporcjach tlenu jak w powietrzu wejściowym. Argon ten nie ma wpływu na nurka.
Instalacje tego typu nie wymagają tlenu pod wysokim ciśnieniem, są jednak skomplikowane i dość drogie w zakupie i utrzymaniu; przepływ wyjściowy należy wpompować do cylindrów za pomocą kompatybilnej z tlenem sprężarki lub pompy powietrza oczyszczonego (na zdjęciu).
12. Separacja membranowa.
Metoda ta opiera się na zastosowaniu membrany, która przechodząc przez nią czyste powietrze umożliwia lepsze przejście cząsteczek tlenu niż cząsteczek azotu. W ten sposób mieszanina wyjściowa jest wzbogacana w tlen, a stężenie tlenu jest określane na podstawie przepływu wejściowego. Maksymalna osiągalna zawartość tlenu w dostępnych na rynku systemach wynosi około 40%. Nawiasem mówiąc, tę samą technologię stosuje się do oddzielania helu w niektórych innych procesach.
Podobnie jak w przypadku jednostek PSA, nie ma potrzeby stosowania tlenu pod wysokim ciśnieniem. Ścieki należy przepompowywać do butli przy użyciu sprężarki oczyszczonej tlenem lub pompy powietrza. Systemy membranowe są dość niezawodne i nie wymagają specjalnej konserwacji, pod warunkiem, że czystość przepływu wlotowego jest wystarczająca.
gazy archiwum
Mieszanka gazowa wodoru i tlenu, jeżeli ich ułamki masowe 1 i 2 są odpowiednio równymi... parametrami charakteryzującymi poszczególne osoby nieruchomościgaz, a zatem jest... T=400 K. 8 ROZDZIAŁ 1 PODSTAWY FIZYCZNE MECHANIKI ROZDZIAŁ 1 PODSTAWY FIZYCZNE MECHANIKI...
Wprowadzenie 3 Rozdział 1 Naukowcy i ich odkrycia
Streszczenie rozprawy doktorskiej... rozdziały. Wstęp Rozdział 1: Naukowcy i ich odkrycia. - Doświadczenie Priestleya Rozdział 2. Historia fotosyntezy. Rozdział 3: Znaczenie fotosyntezy w przyrodzie. Rozdział... dwutlenek węgla gaz w tlen. Węglowy gaz wymagany... potencjał elektrochemiczny. Nieruchomości błona tylakoidowa...
Niech się mieszają N chemicznie niereagujący pomiędzy nimi ideał gazy Zakłada się, że znane są początkowe parametry termodynamiczne stanu wszystkich składników przed zmieszaniem oraz warunki mieszania (warunki oddziaływania z otoczeniem). Trzeba znaleźć równowaga parametry stanu gazów po zmieszaniu.
Rozważmy dwa przypadki mieszania, zakładając dla uproszczenia, że proces ten zachodzi bez wymiany ciepła z otoczeniem .
2.1. Mieszanie o godz W=stała
W tym przypadku warunki mieszania są takie, że objętość powstałej mieszaniny W cm jest równe sumie początkowych objętości składników mieszaniny WH ja:
(Nie należy mylić W.H z częściowymi tomami W ja, omówione w paragrafie 1.4.3.)
Oznaczać:
P H– ciśnienie początkowe I gaz;
T. H,t H– temperatura początkowa I-ty gaz odpowiednio przy 0 DO lub 0 Z.
Ponieważ cały system z N gazy po zmieszaniu w odpowiednich warunkach W=stała nie wykonuje pracy zewnętrznej, to zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki dla tego przypadku () możemy napisać:
Tutaj: U cm – energia wewnętrzna masy mieszaniny gazów M cm-kilogram
z temperaturą T 0 K;
U H- energia wewnętrzna I-ta masa gazu ja kilogramy
z temperaturą początkową T. H .
Wprowadźmy oznaczenie:
ty cm – energia wewnętrzna właściwa mieszaniny gazów w temperaturze T 0 K;
u H ja – określona energia wewnętrzna I--ty gaz o temperaturze początkowej T. H .
Wówczas równanie (2.1.1) przyjmuje następującą postać:
(2.1.2)
Jak wiadomo, dla gazu doskonałego du=C v dT, skąd, licząc energię wewnętrzną 0 0 K można zapisać:
Tutaj: - średnia w przedziale 0 T 0 K masowa izochoryczna pojemność cieplna mieszaniny gazów;
Średni w zasięgu 0 T H i 0 K masowa izochoryczna pojemność cieplna I gaz.
Po podstawieniu (2.1.3) do (2.1.2) otrzymujemy:
Jednakże zgodnie z pkt 1.4.10 rzeczywistą masową pojemność cieplną mieszaniny gazów wyraża się jako ułamki masowe składników g ja a ich rzeczywista pojemność cieplna jest następująca:
Podobnie średnia w przedziale 0 T 0 K Masową izochoryczną pojemność cieplną mieszaniny gazów określa się jako:
Podstawiając to wyrażenie do lewej strony równania (2.1.4) otrzymujemy:
skąd (2.1.5)
Ponieważ z równania stanu, a następnie po podstawieniu ja w równanie (2.1.5) otrzymujemy ostatecznie wzór na temperaturę mieszaniny N gazy:
Jak wiadomo, wzór (2.1.6) można zapisać w postaci:
(Przypomnijmy, że iloczyn jest średnią z przedziału 0- T H i 0 Kmolowy izochoryczna pojemność cieplna I gaz.)
W literaturze często podaje się empiryczne zależności pojemności cieplnej od temperatury dla zakresu 0 t 0 C .
Po podstawieniu (2.1.8) i (2.1.9) do równania (2.1.2) otrzymujemy:
Wymiana ja jego wartość, ostatecznie otrzymujemy wzór na temperaturę mieszaniny gazów w stopniach Celsjusz :
Wyrażający R ja poprzez masę cząsteczkową otrzymujemy kolejny wzór:
Mianowniki wzorów (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) i (2.1.11) zawierają średnie pojemności cieplne, dla których za górną granicę uśredniania przyjmuje się temperaturę mieszaniny ( T Lub T) do ustalenia. Z tego powodu temperaturę mieszaniny określa się za pomocą tych wzorów metoda kolejnych przybliżeń .
2.1.1. Szczególne przypadki mieszania gazów podczas W=stała
Rozważmy kilka szczególnych przypadków wzorów (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) i (2.1.11).
1. Niech mieszają się gazy, dla których zależność wykładnika adiabatycznego Ki temperaturę można pominąć.
(W rzeczywistości DO maleje wraz ze wzrostem temperatury, ponieważ
Gdzie so r , A są empirycznymi współczynnikami dodatnimi.
Do obliczeń technicznych w zakresie od 0 do 2000 0 C można zastosować następujące wzory:
a) dla gazów dwuatomowych DO 1,40 - 0,50 10 -4 T;
b) dla produktów spalania DO 1,35 - 0,55 10 -4 T.
Z tych wzorów jasno wynika, że wpływ temperatury na wskaźnik adiabatyczny DO staje się zauważalny dopiero w temperaturach rzędu setek stopni Celsjusza.)
Zatem, jeśli tak założymy
wówczas formuła (2.1.6) przyjmie następującą postać:
Wzór (2.1.12) można zastosować jako pierwsze przybliżenie wzorów (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) i (2.1.11)
2. Mieszajmy gazy, których molowe izochoryczne pojemności cieplne są równe i można pominąć zależność tych pojemności cieplnych od temperatury, tj.:
Wówczas równanie (2.1.7) przyjmuje bardzo prostą postać:
Jeżeli gazy mają równe molowe izochoryczne pojemności cieplne, to zgodnie z równaniem Mayera
Molowe izobaryczne pojemności cieplne muszą być sobie równe, dlatego wykładniki adiabatyczne muszą być równe, tj.
Pod tym warunkiem równanie (2.1.12) zamienia się w (2.1.13).
2.1.2. Ciśnienie po zmieszaniu gazów w temp W=stała
Ciśnienie powstałe po zmieszaniu gazów można wyznaczyć albo ze wzorów z pkt 1.4.2, albo z warunku:
R cm W cm = M cm R cm T= M cm T.
Rozwiązanie dużej liczby problemów technicznych często wiąże się z mieszaniem różnych gazów (cieczy) lub różnych ilości tego samego gazu (cieczy) w różnych stanach termodynamicznych. Aby zorganizować procesy wyporu, opracowano dość dużą gamę szerokiej gamy urządzeń i aparatury mieszającej.
W analizie termodynamicznej procesów mieszania zadanie sprowadza się zwykle do określenia parametrów stanu mieszaniny na podstawie znanych parametrów stanu składników mieszania początkowego.
Rozwiązanie tego problemu będzie różne w zależności od warunków, w jakich proces ten jest realizowany. Wszystkie metody tworzenia mieszanin gazów lub cieczy występujące w warunkach rzeczywistych można podzielić na trzy grupy: 1) proces mieszania w stałej objętości; 2) proces mieszania w strumieniu; 3) mieszanie podczas napełniania objętości.
Uważa się, że procesy mieszania zachodzą bez wymiany ciepła pomiędzy układem mieszania a otoczeniem, czyli przebiegają adiabatycznie. Mieszanie w obecności wymiany ciepła można podzielić na dwa etapy: mieszanie adiabatyczne bez wymiany ciepła i wymianę ciepła w powstałej mieszaninie z otoczeniem.
Aby uprościć wnioski, rozważmy mieszanie dwóch gazów rzeczywistych. Jednoczesne mieszanie trzech lub więcej gazów można znaleźć, korzystając ze wzorów obliczeniowych dla dwóch gazów, dodając kolejno nowy składnik.
Wszystkie przypadki mieszania są procesami nieodwracalnymi, choćby dlatego, że rozdzielenie mieszaniny na jej składniki z konieczności wymaga nakładu pracy. Jak w każdym procesie nieodwracalnym, podczas mieszania następuje wzrost entropii S c systemów i odpowiadająca im utrata wydajności (egzergia): De
= T o.s. 
S c, gdzie Tо.с – temperatura otoczenia.
Podczas mieszania gazów o różnych ciśnieniach i temperaturach występują dodatkowe straty wydajności wynikające z nieodwracalnego przenoszenia ciepła pomiędzy mieszanymi gazami i niewykorzystywania różnicy ciśnień. Zatem wzrost entropii podczas mieszania następuje zarówno w wyniku faktycznego mieszania (dyfuzji) gazów lub cieczy o różnym charakterze, jak i w wyniku wyrównywania się temperatur i ciśnień mieszanych substancji.
Przyjrzyjmy się możliwym metodom mieszania.
2.1. Procesy mieszania o stałej objętości
Niech jakieś izolowane termicznie naczynie o objętości V podzielony przegrodą na dwie komory, z których jedna zawiera gaz (ciecz) o parametrach P 1, ty 1, T 1 , U 1, w drugim – inny gaz (ciecz) z parametrami P 2, ty 2, T 2 , U 2, (ryc. 2.1).
|
P 1 , T 1, ty 1, U 1 , M 1 |
P 2 , T 2, ty 2, U 2 , M 2 |
|
P, T, ty, U, M |
Ryż. 2.1. Schemat procesu mieszania
w stałej objętości
Oznaczamy odpowiednio masę gazu w jednym przedziale i objętość tego przedziału M 1 i V 1, a w drugim przedziale - M 2 i V 2. Po usunięciu przegrody każdy gaz rozprzestrzeni się poprzez dyfuzję do całej objętości, a uzyskana objętość mieszaniny będzie oczywiście równa sumie V = V 1 + V 2. W wyniku mieszania wyrównuje się ciśnienie, temperatura i gęstość gazu w całej objętości naczynia. Oznaczmy wartości parametrów stanu gazowego po zmieszaniu P, ty, T, U.
Zgodnie z prawem zachowania energii powstała mieszanina gazów będzie miała energię wewnętrzną równą sumie energii wewnętrznych każdego gazu:
U = U 1 + U 2
M 1 ty 1 + M 2 ty 2 = (M 1 + M 2) ty = mu. (2.1)
Właściwą energię wewnętrzną gazu po zmieszaniu określa się w następujący sposób:
.
(2.2)
Podobnie objętość właściwa mieszaniny jest równa:
.
(2.3)
Jeśli chodzi o pozostałe parametry gazu po zmieszaniu ( P, T, S), to dla gazów i cieczy nie można ich obliczyć analitycznie w ogólnej formie poprzez wartości parametrów składników mieszaniny. Aby je określić, musisz użyć U, diagram u, na którym naniesione są izobary i izotermy, lub U, T- diagram z naniesionymi izochorami i izobarami (dla mieszania tego samego gazu) lub tablice właściwości termodynamicznych gazów i cieczy. Po ustaleniu za pomocą zależności (2.2) i (2.3) oraz u gazu po zmieszaniu można znaleźć na podstawie wykresów lub tabel P, T, S.
Wartości P,
T I S gazy po zmieszaniu można bezpośrednio wyrazić poprzez znane wartości parametrów stanu zmieszanych porcji tylko dla gazów doskonałych. Oznaczmy średnią wartość pojemności cieplnej pierwszego gazu w zakresie temperatur od T 1 do T Poprzez 
i inny gaz w zakresie temperatur od T 2 do T Poprzez 
.
Biorąc pod uwagę, że 
;
;
z wyrażenia (2.2) otrzymujemy:
T
=
Lub T
=
,
(2.4)
Gdzie G 1 i G 2 – ułamki masowe gazów doskonałych tworzących mieszaninę.
Z równania stanu gazów doskonałych wynika:
M 1
=
;M 2
=
.
Po podstawieniu wartości mas w (2.4) temperaturę mieszaniny gazów można znaleźć z wyrażenia
T
=
.
(2.5)
Ciśnienie mieszaniny gazów doskonałych definiujemy jako sumę ciśnień cząstkowych składników mieszaniny gazowej 
, gdzie ciśnienia cząstkowe 
I 
wyznacza się za pomocą równania Clapeyrona.
Przyrost entropii 
S c układy z nieodwracalnego mieszania można znaleźć na podstawie różnicy sum entropii gazów zawartych w mieszaninie po zmieszaniu i składników początkowych przed zmieszaniem:
S
= S
– (M 1 S 1
+ M 2 S 2).
Do mieszaniny gazów doskonałych, gdy mieszają się dwa gazy.
S C
= M[(G 1 C P 1
+ G 2 C P 2) ln T
– (G 1 R 1
+ G 2 R 2) ln P]–
– [M 1 (C P 1 l T 1 – R ln P 1) + M 2 (C P 2 l T 2 – R ln P 2)]–
–M(R 1 G 1 l R 1 + R 2 G 2 l R 2),
Gdzie R I– udział objętościowy gazów doskonałych tworzących mieszaninę;
R– stała gazowa mieszaniny, określona równaniem:
R = G 1 R 1 + G 2 R 2 .
Schemat egzergii i anergii mieszania w stałej objętości pokazano na ryc. 2.2.
Ryż. 2.2. Schemat egzergii i anergii w
mieszanie w stałej objętości: 
– utrata specyficznej egzergii podczas mieszania
2. Mieszanie gazów i par o różnych temperaturach.
W ten sposób powstają mgły atmosferyczne. Najczęściej mgła pojawia się przy dobrej pogodzie w nocy, kiedy powierzchnia Ziemi intensywnie oddając ciepło, znacznie się ochładza. Ciepłe, wilgotne powietrze styka się z stygnącą Ziemią lub z zimnym powietrzem w pobliżu jej powierzchni i tworzą się w nim kropelki cieczy. To samo dzieje się, gdy fronty ciepłego i zimnego powietrza mieszają się.
3. Chłodzenie mieszaniny gazów zawierającej parę.
Przypadek ten można zilustrować przykładem czajnika, w którym zagotowała się woda. Z wylewki wydobywa się para wodna, która jest niewidoczna, ponieważ nie rozprasza światła. Następnie para wodna szybko się ochładza, woda w niej zawarta skrapla się i już w niewielkiej odległości od dziobka czajnika widzimy mleczną chmurę – mgłę, która stała się widoczna dzięki zdolności do rozpraszania światła. Podobne zjawisko obserwujemy, gdy w mroźny dzień otwieramy okno. Trwalszy aerozol powstaje, gdy wrzący olej na patelni tworzy w pomieszczeniu gaz (aerozol oleju), który można usunąć jedynie poprzez dobrą wentylację pomieszczenia.
Ponadto w wyniku reakcji gazowych może powstawać aerozol kondensacyjny, w wyniku którego powstają nielotne produkty:
· podczas spalania paliwa tworzą się spaliny, których kondensacja prowadzi do pojawienia się dymu ze spalania;
· podczas spalania fosforu w powietrzu powstaje biały dym (P 2 O 5);
· w wyniku oddziaływania gazowego NH 3 i HC1 powstaje dym MH 4 C1 (sv);
· Utlenianiu metali w powietrzu, zachodzącemu w różnych procesach metalurgicznych i chemicznych, towarzyszy powstawanie dymów składających się z cząstek tlenków metali.
METODY DYSPERSYJNE
Aerozole dyspersyjne powstają podczas mielenia (natryskiwania) ciał stałych i ciekłych w środowisku gazowym oraz podczas przejścia substancji sypkich w stan zawieszony pod działaniem prądów powietrza.
Natryskiwanie ciał stałych odbywa się w dwóch etapach:
szlifowanie, a następnie natryskiwanie. Przejście substancji w stan aerozolowy musi nastąpić w momencie aplikacji aerozolu, ponieważ w przeciwieństwie do innych układów rozproszonych - emulsji, zawiesin, aerozoli nie można przygotować wcześniej. W warunkach domowych prawie jedynym sposobem uzyskania aerozoli płynnych i proszkowych jest urządzenie zwane „opakowaniem aerozolowym” lub „puszkiem aerozolowym”. Substancja w nim zawarta jest pakowana pod ciśnieniem i natryskiwana za pomocą skroplonych lub sprężonych gazów.
OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA AEROZOLI
O właściwościach aerozoli decyduje:
Charakter substancji fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego;
Stężenie częściowe i masowe aerozolu;
Wielkość cząstek i rozkład wielkości cząstek;
Kształt cząstek pierwotnych (niezagregowanych);
Struktura aerozolu;
Ładunek cząstek.
Aby scharakteryzować stężenie aerozoli, a także innych układów rozproszonych, stosuje się stężenie masowe i stężenie numeryczne (częściowe).
Stężenie masowe to masa wszystkich zawieszonych cząstek na jednostkę objętości gazu.
Stężenie liczbowe to liczba cząstek na jednostkę objętości aerozolu. Bez względu na to, jak duże jest stężenie liczbowe w chwili tworzenia się aerozolu, po kilku sekundach nie może ono przekroczyć 10 3 cząstek/cm 3 .
ROZMIAR CZĄSTECZEK AEROZOLU
Minimalny rozmiar cząstek jest określony przez możliwość istnienia substancji w stanie skupienia. Zatem jedna cząsteczka wody nie może utworzyć ani gazu, ani cieczy, ani ciała stałego. Do utworzenia fazy wymagane są agregaty składające się z co najmniej 20-30 cząsteczek. Najmniejsza cząstka ciała stałego lub cieczy nie może być mniejsza niż 1 10 -3 µm. Aby uznać gaz za ośrodek ciągły, konieczne jest, aby rozmiary cząstek były znacznie większe niż swobodna droga cząsteczek gazu. Górna granica wielkości cząstek nie jest ściśle określona, jednak cząstki większe niż 100 mikronów nie są w stanie długo utrzymać się w powietrzu.
WŁAŚCIWOŚCI MOLEKULARNO-KINETYCZNE AEROZOLI
Cechy molekularnych właściwości kinetycznych aerozoli wynikają z:
Niskie stężenie cząstek fazy rozproszonej - czyli jeśli w 1 cm 3 hydrozolu złota znajduje się 10 16 cząstek, to ta sama objętość aerozolu złota zawiera mniej niż 10 7 cząstek;
Niska lepkość ośrodka dyspersyjnego - powietrze, dlatego niski współczynnik tarcia (B) powstający podczas ruchu cząstek;
Mała gęstość ośrodka dyspersyjnego, dlatego ρ część » ρ gaz.
Wszystko to prowadzi do tego, że ruch cząstek w aerozolach zachodzi znacznie intensywniej niż w liozolach.
Rozważmy najprostszy przypadek, gdy aerozol znajduje się w zamkniętym pojemniku (tzn. wykluczony jest dopływ powietrza zewnętrznego), a cząstki mają kształt kulisty o promieniu r i gęstości p. Na cząstkę taką działa jednocześnie siła grawitacji skierowana pionowo w dół i siła tarcia skierowana w przeciwnym kierunku. Dodatkowo cząstka znajduje się w ruchu Browna, czego konsekwencją jest dyfuzja.
Aby określić ilościowo procesy dyfuzji i sedymentacji w aerozolach, można użyć wartości
specyficzny strumień dyfuzyjny i diff i
specyficzny strumień sedymentacji i sed. .
Aby dowiedzieć się, który przepływ będzie przeważał, rozważ ich stosunek:
W tym wyrażeniu (p - p 0) » 0. W konsekwencji wielkość frakcji będzie określona przez wielkość cząstek.
Jeżeli r > 1 µm, to i sed » i diff, czyli dyfuzję można pominąć – następuje szybka sedymentacja i cząstki osiadają na dnie naczynia.
Jeśli R< 0,01 мкм, то i сед « i диф. В этом случае можно пренебречь седиментацией - идет интенсивная диффузия, в результате которой частицы достигают стенок сосуда и прилипают к ним. Если же частицы сталкиваются между собой, то они слипаются, что приводит к их укрупнению и уменьшению концентрации.
Tym samym z aerozolu szybko znikają zarówno bardzo małe, jak i bardzo duże cząstki: te pierwsze na skutek przylegania do ścianek lub adhezji, drugie na skutek osiadania na dnie. Cząstki o rozmiarach pośrednich mają maksymalną stabilność. Dlatego niezależnie od tego, jak duże jest stężenie liczbowe cząstek w momencie powstawania aerozolu, po kilku sekundach nie przekracza ono 10 3 części/cm 3 .
WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNE AEROZOLI
Właściwości elektryczne cząstek aerozolu różnią się znacznie od właściwości elektrycznych cząstek liozolu.
1. EDL nie występuje na cząstkach aerozolu, gdyż ze względu na niską stałą dielektryczną ośrodka gazowego praktycznie nie zachodzi w nim dysocjacja elektrolityczna.
2. Ładunek cząstek powstaje głównie w wyniku masowej adsorpcji jonów, które powstają w fazie gazowej w wyniku jonizacji gazu przez promienie kosmiczne, ultrafioletowe lub radioaktywne.
3. Ładunek cząstek ma charakter losowy, a dla cząstek tego samego rodzaju i tej samej wielkości może różnić się zarówno wielkością, jak i znakiem.
4. Ładunek cząstki zmienia się w czasie zarówno pod względem wielkości, jak i znaku.
5. W przypadku braku specyficznej adsorpcji ładunki cząstek są bardzo małe i zwykle przekraczają elementarny ładunek elektryczny nie więcej niż 10 razy.
6. Specyficzna adsorpcja jest charakterystyczna dla aerozoli, których cząstki są utworzone przez substancję silnie polarną, ponieważ w tym przypadku na powierzchni międzyfazowej następuje dość duży skok potencjału, ze względu na orientację powierzchniową cząsteczek. Na przykład na powierzchni międzyfazowej aerozoli wodnych lub śnieżnych występuje dodatni potencjał elektryczny rzędu 250 mV.
Z praktyki wiadomo, że cząstki aerozoli metali i ich tlenków zwykle niosą ładunek ujemny (Zn, ZnO, MgO, Fe 2 0 3), a cząstki aerozoli niemetali i ich tlenków (SiO 2, P 2 O 5) są naładowane dodatnio. Cząsteczki NaCl i skrobi są naładowane dodatnio, natomiast cząstki mąki mają ładunek ujemny.
STABILNOŚĆ AGREGATYWNA. KOAGULACJA
W przeciwieństwie do innych układów rozproszonych, w aerozolach nie zachodzi interakcja pomiędzy powierzchnią cząstek a ośrodkiem gazowym, co oznacza, że nie istnieją siły uniemożliwiające przyleganie cząstek do siebie i do ciał makroskopowych w przypadku zderzenia. Zatem aerozole są układami niestabilnymi agregacyjnie. Koagulacja w nich zachodzi zgodnie z rodzajem koagulacji szybkiej, tj. każde zderzenie cząstek prowadzi do ich sklejenia.
Szybkość koagulacji wzrasta gwałtownie wraz ze wzrostem liczbowego stężenia aerozolu.
Niezależnie od początkowego stężenia aerozolu, po kilku minutach w 1 cm 3 znajduje się 10 8 -10 6 cząstek (dla porównania - w liozolach ~ 10 15 cząstek). Mamy zatem do czynienia z układami bardzo mocno rozcieńczonymi.
| Zależność szybkości krzepnięcia od wzrostu liczby stężeń aerozolu | |
| Początkowe stężenie liczbowe w 1 cm 3 | Czas potrzebny do dwukrotnego zmniejszenia stężenia aerozolu |
| Ułamki sekundy | |
| 15-30 sek | |
| 30 minut | |
| Kilka dni | |
METODY NISZCZENIA AEROZOLI
Pomimo faktu, że aerozole są agregacyjnie niestabilne, problem ich zniszczenia jest bardzo dotkliwy. Główne problemy, których rozwiązanie wymaga zniszczenia aerozoli:
Oczyszczanie powietrza atmosferycznego z aerozoli przemysłowych;
Wychwytywanie wartościowych produktów z dymu przemysłowego;
Sztuczne zraszanie lub rozpraszanie chmur i mgły.
Aerozole są niszczone przez
· dyspersja pod wpływem prądów powietrza lub pod wpływem ładunków cząstek o tej samej nazwie;
· sedymentacja;
· dyfuzja do ścian naczynia;
· koagulacja;
· odparowanie cząstek fazy rozproszonej (w przypadku aerozoli substancji lotnych).
Najstarszym z obiektów oczyszczania jest komin. Starają się jak najwyżej uwalniać do atmosfery szkodliwe aerozole, gdyż niektóre związki chemiczne, dostając się do przyziemnej warstwy atmosfery pod wpływem światła słonecznego i w wyniku różnych reakcji, przekształcają się w mniej niebezpieczne substancje (w Kopalni Norilsk i Kombinatu Metalurgicznego, np. rura trójkanałowa ma wysokość 420 m).
Jednak współczesna koncentracja produkcji przemysłowej wymaga wstępnego oczyszczenia emisji dymu. Opracowano wiele metod niszczenia aerozoli, ale każda z nich składa się z dwóch etapów:
pierwszy to wychwytywanie rozproszonych cząstek, ich oddzielanie od gazu,
drugim jest zapobieganie ponownemu przedostawaniu się cząstek do środowiska gazowego, wynika to z problemu adhezji wychwyconych cząstek i tworzenia się z nich trwałego osadu.
BUTLE AEROZOLOWE
Zasada działania puszki aerozolowej polega na tym, że lek umieszczony w opakowaniu miesza się z wydzielającą się cieczą, której ciśnienie pary nasyconej w zakresie temperatur, w jakim eksploatowane jest opakowanie, jest wyższe od atmosferycznego.
Mieszanina jest uwalniana z cylindra pod wpływem ciśnienia pary nasyconej nad cieczą.
Wiadomo, że prężność pary nasyconej dowolnej stabilnej substancji zależy tylko od temperatury i nie zależy od objętości. Dlatego podczas całej pracy cylindra ciśnienie w nim pozostanie stałe, dlatego zasięg lotu cząstek i kąt stożka rozpylającego pozostaną prawie stałe.
W zależności od charakteru oddziaływania rozpylanej substancji z wypływającą cieczą oraz stanu jej skupienia, układy w opakowaniach aerozolowych będą składały się z różnej liczby faz. W przypadku wzajemnej rozpuszczalności składników powstaje jednorodny roztwór ciekły, w innych przypadkach - emulsja lub zawiesina, a ostatecznie układ heterogeniczny, gdy lek i usuwana ciecz tworzą układ makroskopowo niejednorodny. Oczywiście w pierwszym przypadku opakowanie aerozolowe zawiera układ dwufazowy - ciecz i para nasycona. Gdy emulsja lub zawiesina przedostanie się do atmosfery, rozdrobniony zostanie jedynie ośrodek dyspersyjny – powstałe cząstki w najlepszym przypadku będą miały wymiary jakie miały w fazie ciekłej.
Gdy lek i wydzielająca się ciecz nie mieszają się lub mieszają ze sobą w ograniczonym stopniu, a jedna z cieczy jest rozproszona w drugiej w postaci małych kropelek, powstają emulsje.
Charakter układu powstającego po opuszczeniu opakowania przez produkt do atmosfery zależy od tego, która z cieczy stanowi fazę rozproszoną. Jeżeli fazą rozproszoną jest preparat, powstaje aerozol. Jeżeli fazą rozproszoną jest wydzielająca się ciecz, wówczas otrzymuje się pianę. Wielkość cząstek uzyskanych przy użyciu puszek aerozolowych zależy od właściwości fizykochemicznych substancji wchodzących w skład preparatu, proporcji składników, cech konstrukcyjnych puszki i warunków temperaturowych jej pracy.
Stopień rozproszenia można regulować: „zmieniając wielkość wylotu;
Zmieniając ciśnienie pary nasyconej usuwanej cieczy;
Zmieniając stosunek ilościowy leku i środka usuwającego.
USUWANIE SUBSTANCJI
Najważniejszym składnikiem pomocniczym jest substancja zapewniająca uwolnienie leku do atmosfery i jego późniejszą dyspersję. Substancje te nazywane są propelentami (łac. „pro-peilere” – napędzać). Materiał pędny musi spełniać dwie funkcje:
Stwórz niezbędną presję, aby uwolnić lek;
Rozproszyć uwolniony produkt do atmosfery. Jako propelenty stosuje się freony i sprężone gazy. Freony są związkami fluoroorganicznymi o niskiej masie cząsteczkowej z szeregu alifatycznego.
Przyjmuje się następujący system oznaczania freonów: ostatnia cyfra (liczba jednostek) oznacza liczbę atomów fluoru w cząsteczce, poprzednia cyfra (liczba dziesiątek) to liczba atomów wodoru powiększona o jeden, a trzecia ( liczba setek) to liczba atomów węgla zmniejszona o jeden. Na przykład: F-22 to CHC1F 2, F-114 to C 2 C1 2 F 4.
Substancje składające się z cząsteczek o strukturze cyklicznej również mają oznaczenie numeryczne, ale przed liczbami umieszczana jest litera „C”, na przykład: C318 - C 4 F 8 (oktafluorocyklobutan).
N2, N2O, CO2 itp. są stosowane jako gazy sprężone.
ZALETY OPAKOWAŃ AEROZOLOWYCH
1. Przejście leku do stanu drobno rozproszonego następuje dzięki energii potencjalnej skroplonego paliwa i nie wymaga stosowania żadnych zewnętrznych urządzeń.
2. Do tworzenia aerozoli nie są potrzebne żadne przystawki.
3. W jednostce czasu można rozproszyć znaczną ilość substancji, uzyskując cząstki o niewielkich rozmiarach – gdyby zastosować inne metody, potrzeba by znacznie więcej energii.
4. Tryb zamgławiania jest stabilny: wielkość uzyskanych cząstek, zasięg ich lotu, kąt szczytu stożka w całym okresie eksploatacji niewiele się zmieniają.
5. Można wstępnie ustalić dawkę rozpylanej substancji.
6. Możesz ustawić rozmiar cząstek.
7. Stopień polidyspersyjności aerozolu jest niski.
8. Wszystkie cząstki mają ten sam skład chemiczny.
9. Zapewniona jest sterylność rozpylanych leków.
10. Lek w opakowaniu nie ma kontaktu z tlenem atmosferycznym, co zapewnia jego stabilność.
11. Zawór samozamykający eliminuje możliwość strat w wyniku rozlania lub odparowania niewykorzystanej części produktu.
12. Opakowanie jest zawsze gotowe do użycia.
13. Opakowanie jest kompaktowe. Umożliwia wykorzystanie indywidualne lub zbiorowe.
Pierwsze opakowania aerozolowe pojawiły się w latach 80-tych. XX wiek w Europie. Podczas II wojny światowej inicjatywę w ich rozwoju przejęły Stany Zjednoczone. W 1941 roku stworzono opakowanie aerozolowe – środek owadobójczy zapakowany w szklane naczynie. Materiałem pędnym był Freon-12.
Na skalę przemysłową produkcję rozpoczęto po II wojnie światowej w Stanach Zjednoczonych, a następnie w innych krajach świata.
PRAKTYCZNE ZASTOSOWANIE AEROZOLÓW
Powszechne stosowanie aerozoli wynika z ich dużej wydajności. Wiadomo, że wzrostowi powierzchni substancji towarzyszy wzrost jej aktywności. Niewielka ilość substancji rozpylona w postaci aerozolu zajmuje dużą objętość i charakteryzuje się dużą reaktywnością. Na tym polega przewaga aerozoli nad innymi układami rozproszonymi.
Aerozole stosuje się:
W różnych dziedzinach techniki, w tym wojskowej i kosmicznej;
W rolnictwie; „w opiece zdrowotnej;
W meteorologii; w życiu codziennym itp.
Ostatnio w praktyce farmaceutycznej szeroko stosuje się wytwarzanie postaci dawkowania w postaci aerozoli. Stosowanie substancji leczniczych w postaci aerozoli jest wygodne w przypadkach, gdy konieczne jest nałożenie leku na duże powierzchnie (ostre choroby dróg oddechowych, oparzenia itp.). Postacie dawkowania zawierające płynne substancje błonotwórcze mają świetny efekt. Kiedy lek ten zostanie rozpylony na dotknięty obszar, zostaje on pokryty cienką, przezroczystą folią, która zastępuje bandaż.
Rozważmy bardziej szczegółowo zastosowanie opakowań aerozolowych.
Obecnie w opakowaniach aerozolowych znajduje się ponad 300 rodzajów produktów.
Grupa pierwsza: chemia gospodarcza.
Insektycydy to preparaty do zabijania owadów.
Produkty przeciw molom.
Insektycydy do leczenia zwierząt domowych.
Środki do ochrony roślin domowych oraz upraw owoców i jagód przed chorobami grzybowymi i szkodnikami.
Lakiery i farby.
Odświeżacze powietrza.
c Środki do polerowania i czyszczenia.
Druga grupa:
Perfumeria i kosmetyki. „Produkty do pielęgnacji włosów (spraye, szampony itp.).
Pianki i żele do golenia.
Kremy do rąk i stóp.
Olejek za i przeciw opalaniu.
Dezodoranty.
Perfumy, wody kolońskie, wody toaletowe.
Grupa trzecia: aerozole medyczne.
Grupa czwarta: aerozole techniczne.
Oleje smarowe.
Powłoki antykorozyjne.
Folie ochronne. „Suche smary.
Emulsje do chłodzenia frezów w wiertarkach.
Grupa piąta: aerozole spożywcze.
AEROZOLE ŻYWNOŚCIOWE
Pierwsze pojemniki na żywność pojawiły się w 1947 roku w USA. Zawierały kremy do wykańczania ciast i ciastek i były używane jedynie przez restauracje, które zwracały je do uzupełnienia. Masową produkcję tego typu opakowań aerozolowych rozpoczęto dopiero w 1958 roku.
Opakowania do żywności w aerozolu można podzielić na trzy główne grupy:
przesyłki wymagające przechowywania w niskich temperaturach;
opakowanie z późniejszą obróbką cieplną;
opakowania bez późniejszej obróbki cieplnej.
W opakowaniach aerozolowych produkowane są trzy rodzaje produktów spożywczych: kremy, płyny, pasty. W opakowaniach aerozolowych można kupić sosy sałatkowe, sery topione, soki, cynamon, majonez, sok pomidorowy, bitą śmietanę 30% itp.
Wzrost produkcji aerozoli spożywczych wynika z następujących czynników:
zalety w porównaniu z konwencjonalnymi rodzajami opakowań;
rozwój nowych paliw;
udoskonalenie technologii napełniania.
Zalety opakowań do żywności w aerozolu:
Łatwość użycia;
oszczędzanie czasu;
żywność jest pakowana w stanie gotowym do spożycia i wydawana z opakowania w jednolitej postaci;
brak wycieków produktu;
wilgoć nie jest tracona i nie przedostaje się do opakowania;
aromat nie zostaje utracony;
produkt jest sterylny.
Do aerozolowych preparatów spożywczych mają zastosowanie następujące wymagania:
1. Gaz pędny musi być wysokiej czystości, nietoksyczny, pozbawiony smaku i zapachu. Obecnie stosuje się dwutlenek węgla, podtlenek azotu, azot, argon i freon C318.
2. Gazy sprężone, które mają bardzo ograniczoną rozpuszczalność w roztworach wodnych, nie mogą brać udziału w tworzeniu piany, a jest to konieczne w przypadku bitej śmietany, kremów dekoracyjnych, musów itp. Do tych produktów zaleca się stosowanie freonu C318, chociaż jest to jest dużo droższy.
Tabela 18.4 Przykłady receptur różnych aerozoli spożywczych
| Składniki zawarte w aerozolach | Ilość, % masy | |
| 1. Krem do kanapek z przekąskami | ||
| Twarożek ze śmietaną | 50-60 | |
| 25-30 | ||
| Olej roślinny i dodatki aromatyczne | 6-10 | |
| Freon S318 | 7 | |
| 2. Glazura cukrowa do wykańczania wyrobów cukierniczych | ||
| Cukier | 55-60 | |
| Woda | 15-25 | |
| Olej roślinny | ||
| twardy | 9-14 | |
| płyn | 3-5 | |
| Sól kuchenna | 0,1-0,3 | |
| Celuloza mikrokrystaliczna | 1,0 | |
| Zapachy | 1-4 | |
| Emulgatory | 0,5-1 | |
| Freon S318 | 7 | |
| 3. Mus | ||
| Miód lub syrop owocowy | 78-83 | |
| Woda | 7-9 | |
| Olej roślinny (stały) | 3-5 | |
| Celuloza mikrokrystaliczna | 1-2 | |
| Monoglicerydy | 0,5-1 | |
| Poliestry sorbitolowe | 0,05-1 | |
| Freon SZ18 | 7 | |
| Kontynuacja z tabeli 18.4 | ||
| Składniki zawarte w aerozolach | Ilość, % masy | |
| 4. Sos dekoracyjny w formie pianki | ||
| Musztarda (drobno zmielony proszek) | 0,94 | |
| Sok cytrynowy | 4,72 | |
| Ocet | 9,44 | |
| Woda | 34 | |
| Polisorbat 80 | 0,5 | |
| Mieszanka emulgująca | 2,25 | |
| Celuloza mikrokrystaliczna | 2,5 | |
| Dodatki - stabilizatory piany | 4,59 | |
| Freon C318 + podtlenek azotu (P=8 atm) | 7 | |
| 5. Sos oliwno-octowy w formie pianki | ||
| Woda | 11,80 | |
| Sól | 1,96 | |
| Cukier | 1,47 | |
| Ocet | 22,81 | |
| Oliwa z oliwek | 61,75 | |
| Polisorbat 80 | 0,10 | |
| Olej czosnkowy | 0,12 | |
| Olejek z czarnego pieprzu | 0,10 | |
| Freon S318 | 10,0 | |
| 6. Dressing do prażonych ziaren kukurydzy | ||
| Sól (dodatkowa) | 10,00 | |
| Olej roślinny | 58,97 | |
| Inne dodatki do oleju | 0,03 | |
| Barwnik | 1,00 | |
| Freon-S318 | 10,00 | |
3. Zastosowanie freonów ma jeszcze jedną zaletę: do receptur produktów wprowadzane są skroplone gazy, które uwalniają się w postaci piany, w ilości nie większej niż 10% wagowych, przy czym zajmują one stosunkowo niewielką objętość. Pozwala to na załadowanie do butli znacznie większej ilości produktów – 90% pojemności butli (w opakowaniach ze sprężonym gazem tylko 50%) i gwarantuje całkowite uwolnienie produktu z opakowania.
4. Wybór propelenta podyktowany jest rodzajem produktu spożywczego oraz zamierzoną formą dostarczenia (krem, płyn, pasta). Mieszanki CO2 i podtlenku azotu o wysokiej czystości sprawdziły się. Do otrzymania piany stosuje się mieszaniny freonu C318 z podtlenkiem azotu. Krem do wykańczania ciast zawarty w tej mieszance tworzy stabilną pianę, która dobrze zachowuje kolor. W przypadku syropów za najbardziej odpowiedni gaz pędny uważa się CO2.
Jakość dozowania zawartości z butli zależy od następujących czynników:
Technologie przygotowania produktów;
Stabilizator (szeroko stosowana celuloza mikrokrystaliczna);
Prawidłowy dobór cylindra i zaworu.
Do cynamonu i soku cytrynowego opracowano kontrolowaną głowicę rozpylającą, która może dozować produkty w postaci kropli lub strumienia, według potrzeb. W przypadku sztucznych słodzików stosuje się zawory dozujące, jedna dozowana przez nie dawka odpowiada jednej kostce tarcicy cukrowej itp.
TRANSPORT AEROZOLOWY
Transport pneumatyczny znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle przemiału mąki, zbóż i młynarstwa paszowego, co stwarza warunki do wprowadzenia automatyzacji, zwiększenia wydajności pracy i obniżenia kosztów. Jednakże zastosowanie transportu pneumatycznego wiąże się z dużym wydatkiem energii elektrycznej na przemieszczenie dużej ilości powietrza (1 kg powietrza przenosi 5-6 kg materiału sypkiego).
Bardziej postępowy jest transport aerozolowy, w którym duże stężenie materiału w strumieniu powietrza osiąga się w wyniku napowietrzenia mąki na początku transportu i wysokiego ciśnienia powietrza. Napowietrzenie rozrywa adhezję pomiędzy cząsteczkami mąki i nabiera ona właściwości płynności, niczym ciecz, w efekcie z 1 kg powietrza przemieszcza się aż do 200 kg mąki.
Instalacja transportu aerozolu składa się z podajnika, doładowania, rurociągu materiału i rozładunku. Głównym elementem jest podajnik, w którym powietrze miesza się z materiałem i nadaje mieszance prędkość początkową, co zapewnia jej dostarczenie do rurociągu materiału.
Wprowadzenie transportu aerozolowego umożliwia zwiększenie wydajności młynów i zmniejszenie jednostkowego zużycia energii.
Transport aerozolowy ma przyszłość nie tylko w młynarstwie, ale także w innych gałęziach przemysłu związanych z wykorzystaniem materiałów sypkich i proszków.
Aerozole to układy mikroheterogeniczne, w których cząstki stałe lub kropelki cieczy są zawieszone w gazie (S/G lub L/G),
Ze względu na stan skupienia fazy rozproszonej aerozole dzielą się na: mgłowe (L/G); dym, kurz (T/G); smog [(F+T)/G)].
Ze względu na rozproszenie aerozole dzielą się na: mgłę, dym, pył.
Podobnie jak inne układy mikroheterogeniczne, aerozole można otrzymać z roztworów rzeczywistych (metody kondensacyjne) lub z układów grubo zdyspergowanych (metody dyspersyjne).
Krople wody we mgle są zawsze kuliste, natomiast stałe cząstki dymu mogą mieć różne kształty w zależności od ich pochodzenia.
Ze względu na bardzo małe rozmiary cząstek fazy rozproszonej mają one rozwiniętą powierzchnię, na której może aktywnie zachodzić adsorpcja, spalanie i inne reakcje chemiczne.
Właściwości molekularno-kinetyczne aerozoli określa się poprzez:
niskie stężenie cząstek fazy rozproszonej; niska lepkość ośrodka dyspersyjnego; niska gęstość ośrodka dyspersyjnego.
W zależności od wielkości cząstek fazy rozproszonej mogą one albo szybko sedymentować (przy r < 1 µm), albo przyklejać się do ścianek naczynia lub sklejać się (przy r < 0,01 µm). Największą stabilność mają cząstki o rozmiarach pośrednich.
Aerozole charakteryzują się zjawiskami termoforezy, termoprecypitacji i fotoforezy.
Właściwości optyczne aerozoli są podobne do właściwości liozoli, jednak rozpraszanie przez nie światła jest znacznie wyraźniejsze ze względu na duże różnice we współczynnikach załamania światła fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego.
Specyfiką właściwości elektrycznych aerozoli jest to, że na cząstkach nie występuje EDL; ładunek cząstek jest losowy i ma małą wielkość. Kiedy cząstki zbliżają się do siebie, nie następuje odpychanie elektrostatyczne i następuje szybka koagulacja.
Istotnym problemem jest niszczenie aerozoli, które odbywa się poprzez sedymentację, koagulację, odpylanie i innymi metodami.
Proszki to wysoce stężone układy dyspersyjne, w których fazą rozproszoną są cząstki stałe, a ośrodkiem dyspersyjnym jest powietrze lub inny gaz. Symbol: T/G.
W proszkach cząsteczki fazy rozproszonej stykają się ze sobą. Tradycyjnie większość materiałów sypkich klasyfikuje się jako proszki, ale w wąskim znaczeniu termin „proszki” stosuje się do wysoce rozproszonych układów o wielkości cząstek mniejszej niż pewna wartość krytyczna, przy której siły oddziaływania między cząstkami stają się proporcjonalne do masy cząsteczki. Najpopularniejsze są proszki o wielkości cząstek od 1 do 100 mikronów. Powierzchnia właściwa takich proszków waha się od kilku m11.09.2011 (sadza) do ułamków m2/g (drobny piasek).
Proszki różnią się od aerozoli ze stałą fazą rozproszoną (również T/G) znacznie większym stężeniem cząstek stałych. Proszek otrzymywany jest z aerozolu, którego faza sedymentacyjna zawiera stałą fazę rozproszoną. Zawiesina (S/L) również po wyschnięciu zamienia się w proszek. Natomiast z proszku można otrzymać zarówno aerozol, jak i zawiesinę.
KLASYFIKACJA PROSZKÓW
1. Według kształtu cząstek:
Równosiowy (mają w przybliżeniu takie same wymiary wzdłuż trzech osi);
Włóknisty (długość cząstek jest znacznie większa niż szerokość i grubość);
Płaskie (długość i szerokość są znacznie większe niż grubość).
2. Zgodnie z oddziaływaniem międzycząstkowym:
Łącznie rozproszone (cząstki są ze sobą powiązane, czyli układ ma jakąś strukturę);
Swobodnie rozproszony (opór na ścinanie wynika jedynie z tarcia pomiędzy cząstkami).
3. Klasyfikacja według wielkości cząstek fazy rozproszonej:
Piasek (2≤10 -5 ≤ d ≤ 2∙10 -3) m;
Pył (2∙10 -6 ≤ d ≤ 2∙10 -5) m;
Proszek (zm< 2∙10 -6) м.
METODY UZYSKIWANIA PROSZKÓW
Proszki, jak każdy inny system dyspersyjny, można otrzymać dwiema grupami metod:
Ze strony układów gruboziarnistych - metodami dyspersyjnymi;
Ze strony prawdziwych rozwiązań - metodami kondensacyjnymi.
Wybór metody zależy od charakteru materiału, przeznaczenia proszku i czynników ekonomicznych.
METODY DYSPERSYJNE
Surowce rozdrabnia się w młynach walcowych, kulowych, wibracyjnych lub koloidalnych, a następnie rozdziela na frakcje, gdyż w wyniku mielenia powstają proszki polidyspersyjne (przykładowo mąka tego samego rodzaju może zawierać cząstki od 5 do 60 mikronów) .
Efektywną dyspersję można uzyskać poprzez zmielenie bardzo stężonych zawiesin.
Aby ułatwić dyspersję, stosuje się reduktory twardości, którymi są środki powierzchniowo czynne. Zgodnie z zasadą wyrównywania polaryzacji, zaadsorbowane na powierzchni zmielonej substancji stałej, zmniejszają napięcie powierzchniowe, zmniejszając energochłonność podczas dyspersji i zwiększając dyspersję fazy mielonej.
W niektórych przypadkach materiał jest poddawany wstępnej obróbce przed dyspersją. W ten sposób tytan lub tantal podgrzewa się w atmosferze wodoru, przekształca w wodorki, które rozdrabnia się i podgrzewa w próżni - otrzymuje się proszki czystego metalu.
Przy produkcji proszków płatkowych wchodzących w skład farb i mieszanek pirotechnicznych do mielenia wykorzystuje się młyny kulowe. Kulki spłaszczają i rolują cząsteczki rozdrobnionego materiału.
Proszki z kulistymi cząstkami metali ogniotrwałych (wolfram, molibden, niob) otrzymywane są w niskotemperaturowej plazmie łukowej i wyładowaniach o wysokiej częstotliwości. Przechodząc przez strefę plazmy, cząstki topią się i przyjmują kształt kulisty, następnie ochładzają się i zestalają.
Podczas dyspersji skład chemiczny materiału nie ulega zmianie.
METODY KONDENSACJI
Metody te można podzielić na dwie grupy.
Pierwsza grupa metod związana jest z osadzaniem cząstek w wyniku koagulacji zoli liofobowych. W wyniku odparowania roztworu lub częściowej wymiany rozpuszczalnika (zmniejszenie rozpuszczalności) tworzy się zawiesina, a po jej przefiltrowaniu i wysuszeniu otrzymuje się proszki.
Druga grupa metod związana jest z reakcjami chemicznymi (kondensacją chemiczną). Metody kondensacji chemicznej można sklasyfikować w zależności od rodzaju zastosowanej reakcji:
1. Reakcje wymiany pomiędzy elektrolitami. Przykładowo, w wyniku reakcji otrzymuje się wytrąconą kredę (proszek do zębów):
Na 2 CO 3 + CaC1 2 = CaCO 3 + 2 NaCl.
2. Utlenianie metali.
Przykładowo, silnie zdyspergowany tlenek cynku, będący głównym składnikiem bieli cynkowej, otrzymuje się poprzez utlenianie par cynku powietrzem w temperaturze 300°C.
3. Utlenianie węglowodorów.
Różne rodzaje sadzy stosowanej w produkcji gumy, tworzyw sztucznych i farb drukarskich powstają w wyniku spalania węglowodorów gazowych lub ciekłych w nieobecności tlenu.
4. Redukcja tlenków metali.
Redukcja gazem ziemnym, wodorem lub stałymi środkami redukującymi stosowana jest w celu uzyskania silnie zdyspergowanych proszków metali.
I wiele więcej, bez których samo życie jest nie do pomyślenia. Całe ciało człowieka to świat cząstek, które znajdują się w ciągłym ruchu, ściśle według pewnych zasad, zgodnych z fizjologią człowieka. Układy koloidalne organizmów mają szereg właściwości biologicznych, które charakteryzują dany stan koloidalny: 2.2. Układ koloidalny komórek. Z punktu widzenia fizjologii koloidowo-chemicznej...
Wyobraźmy sobie trzy poziome warstwy A, B i C naszej kolumny gazowej, przy czym warstwa B znajduje się nad A, a A nad C. Zawsze można otrzymać dowolną ilość mieszaniny o składzie A mieszając określoną objętość z warstwy C z objętością z warstwy B. I odwrotnie, dowolną ilość mieszaniny kompozycji A można podzielić na dwie mieszaniny kompozycji B i C.
To mieszanie i oddzielanie dwóch gazów można również osiągnąć w sposób odwracalny, wzmacniając poziome rury w A, B i C. Koniec każdej takiej rury wychodzącej ze słupa gazu jest zamknięty tłokiem. Wciskamy teraz tłoki do wewnątrz w warstwach B i C, przesuwając je powiedzmy od lewej do prawej, a w punkcie A przeciwnie, wypchniemy tłok na zewnątrz, czyli od prawej do lewej. Następnie w B i C niektóre masy gazu opuszczą kolumnę, a w A, przeciwnie, wejdzie pewna objętość mieszaniny. Założymy, że każda taka rura zawiera pewną masę mieszaniny o tym samym składzie, co pozioma warstwa kolumny gazu, z którą łączy się ta rura.
Wartości zostaną następnie określone z równań
Wynika, że
Podzielmy teraz mieszaninę w sposób odwracalny i obliczmy wykonaną pracę.
Wprowadźmy do A jednostkową objętość mieszaniny, a z B odpowiednio wyprowadzimy objętości
Całkowita praca wykonana w tym procesie jest równa
Podstawiając wartości tutaj widzimy, że praca ta jest równa zeru.
Jest tu pewna subtelność: mieszanina B i mieszanina, na którą się rozpadła, zostały podniesione na różne wysokości i w ten sposób uzyskały różną energię potencjalną. Ponieważ jednak praca wynosi zero, a temperatura układu jest stała, jest to możliwe tylko wtedy, gdy układ oddał lub otrzymał pewną ilość ciepła. Znając zmianę energii potencjalnej, wyznaczymy ilość ciepła przekazanego układowi, a co za tym idzie, zmianę entropii.
Przyrost energii potencjalnej będzie wynosić
ale jest ono równe ilości ciepła przekazanego układowi, więc wzrost entropii będzie równy
O tę ilość suma entropii objętości mieszaniny B i objętości mieszaniny C jest większa niż entropia jednostkowej objętości mieszaniny A. Stąd możemy znaleźć objętości mieszanin B i C, sumę których entropie są równe entropii jednostkowej objętości mieszaniny A; W tym celu sprowadzamy objętości mieszanin B i C w odwracalny sposób izotermiczny do objętości i przyrównujemy sumę przyrostów entropii obu mieszanin podczas tego procesu do wyrażenia (75), wziętego z przeciwnym znakiem.
Przyrost entropii dla mieszaniny B będzie wynosić
Podstawmy do równania (76) wyrażenie na ciśnienie w postaci gęstości
