Równowagi chemiczne - algorytmy obliczeń, interpretacja i symulacje komputerowe
Waldemar Ufnalski
rok wydania: 2010
stron: 340 + CD
oprawa: miękka
format: B5
wydawnictwo: Politechnika Warszawska
W skrypcie omówiono szczegółowo algorytmy (stechiometryczny i niestechiometryczny) obliczeń równowag chemicznych w układach, w których przebiega jedna lub wiele reakcji. Zawiera on dwa autorskie pakiety oprogramowania, umożliwiające obliczenia równowagowe punktowe oraz badanie zależności funkcyjnych i ich prezentację graficzną. Omówiono też szczegółowo równowagi w wybranych układach, mających podstawowe znaczenie technologiczne oraz podano propozycje symulacji (za pomocą oprogramowania załączonego na płycie) równowag w innych układach tego typu. Książka adresowana jest do studentów kursów podstawowych termodynamiki chemicznej oraz wybranych specjalizacji technologicznych politechnik i uniwersytetów. Jest to pierwsza tego typu publikacja na polskim rynku.
SPIS TREŚCI:
Przedmowa 9
1. Podstawy termodynamiki 11
1.1. Odwracalność reakcji chemicznych 11
1.1.1. Fakty doświadczalne 11
1.1.2. Znaczenie odwracalności reakcji 13
1.2. Termodynamiczny opis układów 15
1.2.1. Pojęcia i metody termodynamiki fenomenologicznej 15
1.2.2. Pojęcia i metody termodynamiki statystycznej 19
1.2.3. Termodynamiczne właściwości faz czystych 21
1.2.4. Termodynamiczne właściwości roztworów 29
1.2.5. Propozycje symulacji komputerowych 33
2. Opis „stechiometryczny” układu reagującego 34
2.1. Bilans materiałowy układu reakcyjnego 34
2.1.1. Pojęcia podstawowe i zakres badań 34
2.1.2. Układ, w którym przebiega jedna reakcja 35
2.1.3. Układ, w którym przebiega wiele reakcji niezależnych 43
2.1.4. Propozycje symulacji komputerowych 47
2.2. Zastosowanie metod algebry liniowej do opisu układu reagującego 50
2.2.1. Sformułowanie zadań i macierzowa reprezentacja układu reagującego 50
2.2.2. Wyznaczanie liczby reakcji niezależnych 51
2.2.3. Algorytmiczne bilansowanie równań stechiometrycznych i generowanie baz zupełnych reakcji niezależnych 52
2.2.4. Badanie niezależności równań stechiometrycznych reakcji 57
2.2.5. Układanie cykli termodynamicznych przemian i relacje między funkcjami termodynamicznymi przemian 59
2.2.6. Propozycje symulacji komputerowych 62
3. Algorytmy obliczania składu równowagowego układu reagującego 63
3.1. Algorytmy „stechiometryczne” 63
3.1.1. Układ homofazowy, w którym przebiega jedna reakcja niezależna – relacje podstawowe 63
3.1.2. Układ homofazowy, w którym przebiega jedna reakcja niezależna – algorytmy wyznaczania składu równowagowego 68
3.1.3. Układ heterofazowy, w którym przebiega jedna reakcja niezależna – relacje podstawowe 72
3.1.4. Układ heterofazowy, w którym przebiega jedna reakcja niezależna – algorytmy wyznaczania składu równowagowego 76
3.1.5. Układ, w którym przebiega wiele reakcji niezależnych – relacje podstawowe 77
3.1.6. Układ, w którym przebiega wiele reakcji niezależnych – algorytmy wyznaczania składu równowagowego 79
3.2. Algorytmy „niestechiometryczne” 89
3.2.1. Układ homofazowy – relacje podstawowe 89
3.2.2. Układ homofazowy – algorytm wyznaczania składu równowagowego metodą mnożników Lagrange’a 90
3.3. Zakres zastosowania algorytmów 96
3.3.1. Kilka uwag o zbieżności metod numerycznych 96
3.3.2. Zakres sensowności otrzymywanych wyników 97
4. Standardowe funkcje termodynamiczne reagentów i ich wykorzystanie do obliczeń równowagowych 100
4.1. Tablice „termochemiczne” 100
4.1.1. Opis tablic 100
4.1.2. Wykorzystanie tablic „termochemicznych” do obliczeń 101
4.1.3. Propozycje symulacji komputerowych 108
4.2. Tablice „spektroskopowe” 109
4.2.1. Opis tablic 109
4.2.2. Wykorzystanie tablic „spektroskopowych” do obliczeń 110
4.2.3. Propozycje symulacji komputerowych 116
4.3. Wybrane korelacje standardowych funkcji termodynamicznych 116
4.3.1. Korelacja van Krevelena-Chermina 117
4.3.2. Korelacja Andersona-Beyera-Watsona 120
4.3.3. Propozycje symulacji komputerowych 125
5. Równowaga w układach homofazowych gazowych z jedną reakcją niezależną 126
5.1. Stan równowagi osiągany w warunkach izotermiczno-izobarycznych 126
5.1.1. Opis układu i założenia modelowe 126
5.1.2. Reguła przekory 126
5.1.3. Wpływ temperatury na położenie stanu równowagi 128
5.1.4. Wpływ ciśnienia na położenie stanu równowagi 134
5.1.5. Wpływ składu początkowego na położenie stanu równowagi 139
5.1.6. Efekty izotopowe 148
5.1.7. Wpływ niedoskonałości fazy gazowej na położenie stanu równowagi układu 150
5.1.8. Propozycje symulacji komputerowych 152
5.2. Wpływ więzów na położenie stanu równowagi 157
5.2.1. Stan równowagi osiągany w warunkach izotermiczno-izochorycznych 157
5.2.2. Zastosowanie reguły przekory w warunkach izotermiczno-izochorycznych 160
5.2.3. Stan równowagi osiągany przy kontrolowanej wymianie ciepła z otoczeniem w warunkach izobarycznych 168
5.2.4. Stan równowagi osiągany przy kontrolowanej wymianie ciepła z otoczeniem w warunkach izochorycznych 176
5.2.5. Propozycje symulacji komputerowych 178
6. Równowaga w układach heterofazowych z jedną reakcją niezależną 181
6.1. Stan równowagi osiągany w warunkach izotermiczno-izobarycznych 181
6.1.1. Klasyfikacja układów i założenia modelowe 181
6.1.2. Reakcje rozkładu stałego substratu z utworzeniem jednego produktu gazowego 182
6.1.3. Reakcje rozkładu stałego substratu z utworzeniem kilku produktów gazowych 194
6.1.4. Inne reakcje heterofazowe 204
6.1.5. Propozycje symulacji komputerowych 219
6.2. Wpływ więzów na położenie stanu równowagi 222
6.2.1. Stan równowagi osiągany w warunkach izotermiczno-izochorycznych 222
6.2.2. Stan równowagi osiągany przy kontrolowanej wymianie ciepła z otoczeniem 235
6.2.3. Propozycje symulacji komputerowych 242
6.3. Kilka uwag na temat stosowania reguły przekory do układów heterofazowych 245
7. Równowaga w układach z wieloma reakcjami niezależnymi 247
7.1. Stan równowagi układów homofazowych osiągany w warunkach izotermiczno-izobarycznych 247
7.1.1. Wybór algorytmu obliczeń i jego wykonywanie, „testy prawdy” oraz interpretacja wyników 247
7.1.2. Przykłady równowag w wybranych układach, w których przebiegają dwie reakcje niezależne 261
7.1.3. Przykłady równowag w wybranych układach, w których przebiega wiele reakcji niezależnych 269
7.1.4. Propozycje symulacji komputerowych 281
7.2. Stan równowagi układów heterofazowych osiągany w warunkach izotermiczno-izobarycznych 285
7.2.1. Algorytm obliczeń i jego wykonywanie oraz „testy prawdy” 285
7.2.2. Przykłady równowag w wybranych układach, w których przebiegają dwie reakcje niezależne 291
7.2.3. Przykłady równowag w wybranych układach, w których przebiega wiele reakcji niezależnych 299
7.2.4. Propozycje symulacji komputerowych 302
7.3. Stan równowagi układów osiągany w warunkach izotermiczno-izochorycznych 305
7.3.1. Układy homofazowe 306
7.3.2. Układy heterofazowe 307
7.3.3. Propozycje symulacji komputerowych 309
8. Równowagi innych typów 312
Dodatek A – Oprogramowanie, wymagania sprzętowe i instalacja 316
A.1. Informacje ogólne 316
A.2. Oprogramowanie dla arkusza kalkulacyjnego MS Excel 316
A.3. Program GIBBS dla środowiska Windows 319
Dodatek B – Podstawowe metody numeryczne zastosowane w programach 321
B.1. Eliminacja macierzy metodą Gaussa-Jordana 321
B.2. Rozwiązywanie układów równań liniowych niejednorodnych metodą Gaussa-Jordana 326
B.3. Rozwiązywanie równań nieliniowych 327
B.4. Rozwiązywanie układów równań nieliniowych metodą Newtona-Raphsona 331
B.5. Optymalizacja wieloparametrowa z ograniczeniami 334
B.6. Diagnostyka typu równowagi w układzie heterofazowym, w którym przebiega jedna reakcja niezależna 336
Bibliografia 340
