Исследование эффекта эндотермического смешения

Исследование эффекта эндотермического смешения органических
жидкостей и возможности его применения в системах кондиционирования
автотранспортных средств
Ю. В. Агалаков
Научный руководитель – Э. Ю. Курчатов
Казанский национальный исследовательский технический университет
им. А. Н. Туполева (КНИТУ-КАИ), г. Казань, Российская Федерация
В последнее время значительно возрос интерес к исследованию
тепловых эффектов смешения жидкостей. Теплоты смешения являются
основными
энергетическими
характеристиками
раствора,
их
величины
непосредственно связаны с энергиями межмолекулярных взаимодействий в
жидкой фазе. Теплота смешения зависит от концентрации и температур
компонентов растворов. Для многих жидких смесей тепловые эффекты
смешения имеют достаточно большую величину и их учёт необходим при
составлении энергетического баланса различных технологических процессов.
Кроме того, тепловой эффект смешения жидких смесей может быть
использован в различных энергетических установках.
Теплота, поглощаемая или выделяемая системой при смешении n1 молей
первого компонента и n2 молей второго компонента в условиях постоянства
температуры и давления, называется теплотой смешения. Если смешение
происходит
с
выделением
теплоты
–
процесс
экзотермический
(экзотермическое смешение), а при смешении с поглощением теплоты –
смешение эндотермическое. Будучи отнесена к 1 молю образующейся смеси
(раствора), эта величина получает смысл интегральной мольной теплоты
смешения ∆Н (кал/моль). При экзотермическом смешении
∆Н<0, при
эндотермическом смешении ∆Н>0.
Источником сведений о теплотах смешения является эксперимент,
поскольку возможности теоретического расчета этих величин остаются весьма
ограниченными. Как показывают экспериментальные данные [1, 2, 3], теплоты
смешения жидкостей лежат в пределах от нескольких калорий до 1000 кал на
моль смеси. Для большинства систем характерен эндотермический эффект
смешения (∆Н>0).
Рассмотрим смешение следующих жидкостей:
 ацетон C3H6O и этиловый спирт С2H5OH;
 ацетон C3H6O и пропиловый спирт С3H7OH;
 ацетон C3H6O и бутиловый спирт С4H9OH;
 ацетон C3H6O и гептан С7H16;
 этилацетат C4H8O2 и этиловый спирт С2H5OH;
 этилацетат C4H8O2 и пропиловый спирт С3H7OH;
 этилацетат C4H8O2 и бутиловый спирт С4H9OH;
 бутиламин С4H11N и бутиловый спирт С4H9OH.
Согласно экспериментальным данным [1, 2, 3], процесс смешения этих
жидкостей носит эндотермический характер. На рис. 1 и на рис. 2 представлены
зависимости теплоты смешения ∆Н от концентрации второго компонента при
температуре компонентов 25 °С.
Рис. 1
Рис. 2
Из графиков видно, что в пределах 400 кал теплоты на 1 моль
образующегося раствора поглощается при смешении в пропорции 50:50
следующих жидкостей:
 ацетона C3H6O и пропилового спирта С3H7OH;
 ацетона C3H6O и гептана С7H16;
 этилацетата C4H8O2 и бутилового спирта С4H9OH.
В перерасчете на 1 кг раствора теплота смешения раствора равна:
 ацетон и пропиловый спирт – 28,3 кДж на 1 кг раствора;
 ацетон и гептан – 21,2 кДж на 1 кг раствора;
 этилацетат и бутиловый спирт – 20,65 кДж на 1 кг раствора.
Однако наибольшая теплота поглощается при смешении бутиламина
С4H11N и бутилового спирта С4H9OH.
При концентрации веществ 50:50 происходит поглощение 600 кал
теплоты на 1 моль (34,1 кДж на 1 кг) образующегося раствора
Учитывая, что температуры кипения бутиламина и бутилового спирта
различны (температура кипения бутиламина 77,8 °С, а температура кипения
бутилового спирта 117,4 °С), данный эндотермический эффект можно
применить в системах кондиционирования салонов автотранспортных средств,
обеспечив процесс смешения жидкостей с поглощением теплоты из воздуха,
поступающего
в кабину автотранспортного
средства, с последующим
разделением раствора на компоненты методом возгонки бутиламина, имеющего
более низкую температуру кипения. Разделение раствора можно осуществить
за счет теплоты, отводимой от двигателя автотранспортного средства, что
позволит увеличить эффективность использования энергии топлива [4,5].
Список литературы:
1. Белоусов В. П., Морачевский А. Г. Теплоты смешения жидкостей. Издво «Химия», 1970, стр. 256, рис. 31, табл. 1072.
2. Белоусов В. П., Морачевский А. Г., Панов М. Ю. Тепловые свойства
растворов неэлектролитов. Справочник. Л.: Химия, 1981. 264 с.
3. Экспериментальное
определение
теплового
эффекта
смешения
жидкостей. Латышев В. П., Волошина С. И. «Холодильная техника»,
1982, № 3.
4. Новый способ получения холода на основе поглощения тепла при
смешении жидкостей. Латышев В. П. «Холодильная техника», 1982, № 2.
5. Пат. 2504485 Российская Федерация, МПК В60H 1/32, F25B 5/00.
Кондиционер транспортного средства [Текст] / Гуреев В.М. , Ермаков
А.М., Курчатов Э.Ю.; заявитель и патентообладатель: ФГБОУ ВПО
Казанский национальный исследовательский технический университет
им.
А.
Н.
Туполева-КАИ"
(КНИТУ
-
КАИ)
Заявка
2012110641/11(015962); заявл. 20.03.2012; опубл. 20.01.2014, Бюл. № 2.
№