Глава 02. Условия термодинамического равновесия при сушке. Изотермы сорбции-десорбции

Состояние системы влажное тело — газ является равновес­ным, если оно не изменяется во времени под действием внутрен­них факторов. При этом подразумевается, что внешние условия также не изменяются во времени. В противном случае проис­ходит смещение положения равновесия системы. Таким обра­зом, положение равновесия является функцией внешних усло­вий. Следует подчеркнуть динамический характер равновесия. Если влажное тело при определенных внешних условиях нахо­дится в равновесии с газом (смесью паров испаряемой жидко­сти и теплоносителя, чаще всего воздуха), то это.не означает, что не происходят взаимно обратные процессы испарения и кон­денсации— в состоянии равновесия эти взаимнообратные про­цессы проходят с одинаковой интенсивностью. Число молекул, вырвавшихся из жидкости в единицу времени, равно числу мо­лекул пара, попавших в жидкость.

Если термодинамическая система находится в устойчивом состоянии равновесия, то всякий процесс в ней, вызванный из­менением внешних условий, направлен так, что он стремится ликвидировать изменения системы, порожденные изменением внешних условий.

Предположим, что влажное тело находится в равновесии с окружающей средой и каким-либо образом получает дополни­тельный поток энергии, например, в виде инфракрасного излу­чения, тогда внутренняя энергия влажного тела начнет возра­стать. Для противодействия этому влага в теле начнет испа­ряться и переходить в окружающую среду, чтобы снизить новый уровень внутренней энергии тела. Это будет происходить до тех пор, пока не установится новое состояние равновесия, естествен­но, динамическое, т. е. пока новое, большее число молекул жид­кости, переходящих в среду, не станет равным числу молекул, поступающих из среды в жидкость.

Рассмотрим подробнее условия равновесия влажного тела с газом (со смесью воздуха и водяных паров). Чтобы не прохо­дили процессы переноса жидкости или пара под действием ме­ханических причин, должно быть установлено механическое равновесие. Для этого необходимо равенство сил, действующих на границу раздела соприкасающихся фаз. Если граница раз­дела плоская, то равенство сил приводит к равенству давлений по обе стороны границы; если искривленная, то равенство дав­лений нарушается действием сил поверхностного натяжения и по обе стороны от границы раздела существует разность давле­ний [40, 117], определяемая уравнением Лапласа

Однако выражение (1.13) соответствует механическому рав­новесию для случая, когда не учитывается взаимодействие твер­дого тела и жидкости. При учете этого взаимодействия следует принимать во внимание силы, действующие на границу раздела жидкость — газ со стороны твердого скелета тела. При устой­чивом равновесии должно выполняться и тепловое равновесие: температура тела (твердого каркаса) Т_v равна температуре жидкости Т_ж и равна температуре газа Т_г. Механическое и теп­ловое равновесие еще не означает, что система влажное тело — газ находится в равновесии: жидкая фаза может переходить в газовую, т. е. возможно фазовое превращение. Должно выпол­няться еще одно условие равновесия, которое запрещает фазо­вое превращение. В статистической физике [53] доказывается, что таким условием равновесия является равенство химических потенциалов р жидкой и газообразной фаз u_ж=u_г. Понятие хи­мического потенциала крайне важно для уяснения вопроса о движущей силе процесса сушки, поэтому остановимся на нем подробнее.