Топлив. Ящик Вант-Гоффа

Идеальная машина для обратимого окисления

Можно осуществить обратимую реакцию окисления с получением L в виде механической работы с помощью идеального устройства, получившего название ящика Вант-Гоффа. Необходимым элементом подобной установки является наличие полупроницаемых перегородок, существование которых не противоречит законам термодинамики. Рассмотрим схему окисления метана СН₄ с использованием таких перегородок в реакции

. (2.4.11)

Установка содержит 3 компрессора и реактор, в котором протекает

реакция (2.4.11) (см. рис.2.4.1).

Рис.2.4.1. Схема установки по обратимому окислению СН₄.

1,2- турбины, 3 - компрессор, 4,5,6 - полупроницаемые пере-

городки, 7 – реактор.

Реакция осуществляется следующим образом. Один моль метана СН₄ и два моля кислорода О₂ обратимо расширяются в изотермических расширительных машинах 1 и 2 до равновесных парциальных давлений и реакции (2.4.11) при Т = Т₀. За счет изотермического расширения производится работа

,

и

.

При изотермическом расширении из окружающей среды черпается тепло,

равное этим работам.

Через полупроницаемые перегородки 4,5 реагенты вводятся в реактор, где при соответствующих парциальных давлениях и Т = Т₀ вступают в изобарно-изотермическую реакцию, в результате которой образуется 1 моль СО₂ и Н₂О в количестве 2 молей при соответствующих парциальных давлениях. Одновременно выделяется теплота реакции Q_p. Продукты реакции через соответствующие полупроницаемые перегородки направляются в изотермические компрессоры (на рис.2.4.1) для простоты приведена одна перегородка), где сжимаются до давления р = 1 ат. На сжатие затрачивается работа

При сжатии в окружающую среду выделяется тепло в количестве равном

произведенной работе. Составим теперь балансы работ и тепла. Баланс работ дает максимальную работу

или

. (2.4.12)

Стоящее под знаком логарифма в формуле (2.4.12) выражение - константа

равновесия для данной реакции, т.е.

Как было ранее показано (см. формулу (2.4.6))

,

а, следовательно,

. (2.4.13)

Запишем теперь уравнения баланса тепла

. (2.4.14)

Сравнивая (2.4.13) с (2.4.14) с формулами (2.4.9), (2.4.10) видим, что наша гипотетическая установка (ящик Вант-Гоффа) действительно производит механическую работу, равную L_max. При этом она может отдавать тепло среде h_max < 1, а также брать его из среды h_max >1.

Обсудим теперь, что мешает создать столь идеальную машину для преобразования энергии топлива в механическую работу или электроэнергию. Прежде всего, это отсутствие идеальных полупроницаемых перегородок, пропускающих только один единственный компонент, Далее, равновесные парциальные давления исходных веществ (компонент топлива) при технически реализуемых температурах Т столь малы, что степени расширения в машинах 1 и 2 составили бы многие порядки, что технически вряд ли осуществимо.

Дата добавления: 2015-06-27