ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Введение. Все известно о молекулах из "Свойства газов и жидкостей" Книга предназначена для использования в инженерной практике, особенно при разработке процессов и аппаратов химической технологии. Поскольку содержание книги тесно связано с теорией, она может оказаться также полезной для лиц, изучающих молекулярную физику. [c.17] Знание свойств веществ является основой инженерного искусства, так как стоимость и надежность сооружений зависят от прочности материалов и постоянства их свойств. Инженеров-строите-лей и механиков интересуют свойства сталей, бетона и других материалов, используемых в различных типах конструкций и машин. С развитием химической промышленности особенно важными становятся сведения о свойствах газов и жидкостей, в том числе многих новых химических продуктов, физические свойства кото-рых никогда не определялись экспериментально. Например, при проектировании завода по производству бутадиена необходимо знать свойства этого вещества и сопутствующих ему соединений для правильного расчета трубопроводов и насосов, а также для проектирования нагревательного, холодильного и разделительного оборудования. [c.19] Деятельность химиков и технологов связана главным образом с превращением молекул эта область может быть названа техникой молекул . Основным ее назначением является получение сведений о поведении молекул в виде достоверных количественных данных о химических, физических и термодинамических свойствах чистых веществ и смесей. Многие необходимые данные уже имеются, а современная молекулярная теория обеспечивает надежную основу для предсказания других нужных величин. Действительно, с точки зрения современного физика все известно о молекулах . Дж. К. Слейтер в своей книге Современная физика говорит, что (в ядерной физике) ... мы все еще ищем законы, тогда как в физике атомов, молекул и твердых тел мы нашли законы и делаем выводы из них . К сожалению, далеко не одно и то же, знать законы и иметь цифровой материал, который могли бы использовать инженеры и научные работники, занимающиеся прикладными науками. [c.19] Расчет обычно основан на корреляции известных данных с последующей интерполяцией или экстраполяцией. Корреляции подразделяются на три типа 1) чисто эмпирические 2) частично эмпирические (имеющие в своей основе какую-либо теоретическую концепцию) и 3) чисто теоретические. Корреляции первого типа часто бывают ненадежны й не представляют ценности, а корреляции третьего типа обычно недостаточно разработаны. Большинство используемых корреляций имеют частично теоретическую форму с эмпирическими константами, определенными- по экспериментальным данным. [c.20] Полезные корреляции могут быть лишь частично основаны на теории. Например, известно, что значения теплот парообразования (выраженные в кал1г) меняются в широких пределах. Согласно простой молекулярной теории, теплота парообразования количественно равна энергии, необходимой для отделения молекул от жидкости и для работы расширения пара. Следовательно, теплота парообразования больше зависит от числа молекул, чем от массы вещества отсюда моЖно полагать, что мольная теплота парообразования постоянна. Экспе,риментальные данные показывают, что эта постоянная величина составляет - 8000, и грубое правило, устанавливающее, что мольная теплота парообразования при нормальной температуре кипения (т. е. при 1 атм) рав1на 8000 кал моль оправдывается с точностью 20% для очень большого числа веществ. Гораздо лучшие корреляции теплот парообразования представлены в гл. HI, но здесь важно указать, что даже элементарные теоретические представления могут быть очень полезными. [c.20] Во многих случаях простая приближенная теория может давать надежные корреляции, если отклонения от этой теории устанавливаются опытным путем. Уравнение состояния идеального газа действительно при низких давлениях, но дает неточные соотношения P-r-V — Т для реальных газов при высоких давлениях. Хорошие корреляции могут быть получены путем обработки эмпирических данных о коэффициенте сжимаемости Z, который определяется выражением PV = ZRT и может рассматриваться как поправка к закону идеального газа. В свою очередь, эмпирические корреляции Z, основанные на неточном в теоретическом отношении принципе соответстбенных состояний, эквивалентны эмпирическим корреляциям отклонений PVIRT) — 1 от закона идеального газа. [c.20] Несмотря на мнение части современных физиков, что все известно о молекулах , в настоящее время почти отсутствуют чисто теоретические выражения для физических свойств, в которых заинтересован инженер. Возможно, что точнее всего поведение молекул описывает современная кинетическая теория газов, являющаяся развитием теории Максвелла. [c.21] Предполагается, что молекулы отталкивают друг друга на небольших расстояниях и притягиваются при больших удалениях. Межмолекулярный потенциал — это количественное соотношение между потенциальной энергией притяжения и расстоянием между молекулами. Разработаны различные межмолекулярные потенциалы, из которых наиболее известен потенциал Леннарда — Джонса. На основе выбранного потенциала межмолекулярного взаимодействия можно получить теоретические выражения для различных свойств разреженных газов второго (и третьего) вириальных ко- эффициентов, вязкости, теплопроводности, молекулярной диффузии и коэффициента термодиффузии. Константы межмолекулярной потенциальной функции (обычно их две) различны для разных химических веществ и не изменяются сколько-нибудь заметно с температурой. Использование межмолекулярных потенциалов является основой для расчета некоторых свойств газов с высокой точностью. Расчетные изменения этих свойств в зависимости от температуры часто отлично согласуются с экспериментальными данными. [c.21] Свойства газов изучены наиболее полно. Поведение жидкостей менее изучено, а о теории твердых тел можно сказать, что она находится в стадии своего раннего развития. Настоящая книга посвящена методам определения физических свойств чистых газов и жидкостей, а также их смесей. [c.22] Свойства веществ зависят от природы атомов, составляющих молекулу, поэтому значительный успех был достигнут при определении некоторых свойств как аддитивных функций атомных составляющих с введением допущений относительно структуры. [c.22] Например, правило аддитивных объемов Лидерсена является вполне приемлемой основой для определения критических объемов многих веществ. Подобные по форме правила существуют для определения многих других свойств чистых веществ. Для смесей имеются свои методы. Наиболее общая методика заключается в том, что смесь рассматривается как некий гипотетический чистый компонент, для которого можно использовать корреляции, предложенные для индивидуальных веществ. [c.22] Большинство свойств, рассматриваемых в книге, связано с взаимодействием между молекулами. Теплота и свободная энергия образования зависят, однако, в первую очередь от молекулярной структуры и энергии, необходимой для разрыва химических связей между атомами. Для определения этих свойств необходимо знать энергии связей, поэтому большинство методов основано на эмпирических соотношениях, в которые подставляются значения, соответствующие различным типам химических связей между атомами. Теория таких связей разработана еще меньше, чем указанная выше теория взаимодействия между молекулами. [c.22] Последующие главы представляют собой критические обзоры наиболее перспективных методов определения каждого рассматриваемого свойства Когда это возможно, даются рекомендации по выбору лучших методов. В литературе предложены десятки методов корреляции многих свойств. Из них нами были отобраны по два-три наиболее надежных. Результаты, получаемые по этим методам, сравниваются с экспериментальными. В большинстве случаев количество точек, в которых производилось сравнение, было в 2—4 раза больше, чем указано в таблицах. [c.22] Тот факт, что вместо графиков в книге используются таблицы, объясняется двумя причинами желанием сравнить величины отклонений для различных типов соединений (полярных, галоген-производных и т. д.), а также стремлением обобщить экспериментальный материал, которым можно было бы пользоваться для справок. Статистический анализ погрешностей ами не проводился. В большинстве случаев указаны только средние арифметические погрешности (без учета знака). [c.22] Следует подчеркнуть, что надежные экспериментальные данные всегда более предпочтительны, чем результаты, полученные с помощью любого из приводимых методов. Разумеется, рано или поздно продолжающаяся публикация результатов экспериментов и развитие теории молекулярного взаимодействия сделают книгу такого рода бесцельной. [c.23] Вернуться к основной статье