1

OGÓLNOTECHNICZNE

PODSTAWY BIOTECHNOLOGII

Z GRAFIKĄ INŻYNIERSKĄ

Wykład III

Podstawowe prawa fizyki stosowane w technice

Definicje podstawowych pojęć inżynieryjno -

technicznych

2

Podstawowe prawa fizyczne mające

zastosowanie w technice

Nauki techniczne opierają się przede wszystkim na fizyce.

Państwo powinni znać fizykę na poziomie szkoły średniej. Teraz

chciałbym przypomnieć pewne podstawowe prawa fizyki, które

odgrywają szczególną rolę w naukach technicznych. Będą to:

- prawo (zasada) zachowania masy,

- prawo (zasada) zachowania energii,

- prawa (zasady) dynamiki Newtona,

- prawa gazu doskonałego.

3

Podstawowe prawa fizyczne mające

zastosowanie w technice

1.

Prawo (zasada) zachowania masy:

Sumaryczna masa ciał biorących udział

w dowolnych procesach jest stała i nie

ulega zmianie.

Zasada zachowania masy została sformułowana w czasach nowożytnych

przez Lavoisiera w roku 1789 i następnie potwierdzona dla wszelkich

procesów fizycznych i chemicznych. Jedynymi wyjątkami, dla których

zasada zachowania masy nie obowiązuje są przemiany i procesy

jądrowe. Dla tychże procesów jednak obowiązuje prawo znacznie

ogólniejsze tzw. zasada zachowania materii, w której uwzględnia

się utożsamienie energii z masą zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina.

4

Prawo zachowania masy

Matematycznie zasadę zachowania masy można zapisać za pomocą

równania:

const

m

i

i

Zasada zachowania masy jest podstawą bardzo ważnego etapu

matematycznego opisu różnego rodzaju procesów fizycznych i chemicznych

nazywanego bilansowaniem masowym (materiałowym).

5

Podstawowe prawa fizyczne mające

zastosowanie w technice – bilans masy

Dla procesów nieustalonych bilans masowy możemy sformułować

w następującej postaci:

i

j

jk

ip

m

m

p – oznacza początek procesu

k – oznacza koniec procesu

Zwróćmy uwagę, że sumowanie na początku odbywa się po „i”

a na końcu po „j”. Oznacza to, ze w trakcie procesu zarówno

biorące w nim udział ciała jak i substancje mogą się zmieniać.

6

Podstawowe prawa fizyczne mające

zastosowanie w technice – bilans masy

n

j

p

k

i

s

j

i

m

m

1

1





3

2

1

s

s

s

k

s

Dla procesów ustalonych bilans masowy dotyczy zazwyczaj pewnej

przestrzeni, w której odbywa się dany proces. W przestrzeni tej

określa się szereg strumieni wlotowych (substratów) i wylotowych

(produktów).

Proces

n

p

p

p

p

p

4

3

2

1

7

Podstawowe prawa fizyczne mające

zastosowanie w technice – bilans masy

N

r

n

n

n

j

r

pj

k

i

r

si

,...,

2

,

1

1

)

(

1

)

(





W przypadku procesów, w których nie zachodzą reakcje chemiczne

prawo zachowania masy implikuje zasadę zachowania liczności

dla wszystkich związków chemicznych (składników) biorących udział

w danym procesie. W taki przypadku bilans masowy przechodzi

w bilans molowy. Dla procesów ustalonych bilans można opisać:

3

2

1

s

s

s

k

s

Proces

n

p

p

p

p

p

4

3

2

1

8

2.

Prawo (zasada) zachowania energii:

Sumaryczna energia wszystkich ciał

biorących udział w dowolnych procesach

jest stała i nie ulega zmianie.

const

E

i

i

Zasada zachowania energii wynika bezpośrednio z II zasady dynamiki

Newtona. W głębszym i bardziej ogólnym sensie jest ona konsekwencją

„gładkości” czyli symetrii czasu. Osobom pragnącym pogłębić wiedzę

o podstawach nauki chciałbym polecić książkę wybitnego fizykochemika

Petera Atkinsa:

Palec Galileusza – Dziesięć wielkich idei nauki.

DW Rebis, Poznań 2005.

9

Podstawowe prawa fizyczne mające

zastosowanie w technice cd.

3.

Prawa dynamiki Newtona:

I) Ciała pozostają w spoczynku lub poruszają się ruchem

jednostajnym prostoliniowym wtedy i tylko wtedy gdy na

te ciała nie działają żadne siły lub gdy działające siły

wzajemnie się równoważą.

II) Jeżeli na ciało działa stała siła to ciało to porusza się

ruchem jednostajnie przyśpieszonym lub opóźnionym.

III) Każdemu działaniu towarzyszy równe mu ale

przeciwnie skierowane przeciwdziałanie.

10

Drugie prawo dynamiki Newtona:

a

m

dt

w

d

m

dt

w

m

d

F









)

(

11

Prawa gazowe

Definicja:

Gazem doskonałym nazywamy ośrodek, którego cząsteczki

posiadają zerową objętość i nie oddziaływują ze sobą.

4. Prawa gazów doskonałych:

a

) Prawo Boyle’a-Mariotta: Jeżeli temperatura gazu jest stała to iloczyn jego

ciśnienia i objętości jest wartością stałą.

b) Prawo Gay-Lussaca: Jeżeli ciśnienie gazu jest stałe, to objętość gazu jest

wprost proporcjonalna do jego temperatury absolutnej.

c) Prawo Charlesa: Jeżeli objętość gazu jest stała, to jego ciśnienie jest

wprost proporcjonalne do temperatury absolutnej.

12

Graficzna ilustracja praw

gazowych

.

const

pV

p

V

T=const.

Prawo Boyle’a - Mariotta

13

Graficzna ilustracja praw

gazowych

T

V

V

T

p=const.

Gay – Lussaca

14

Graficzna ilustracja praw

gazowych

p

T

T

p

V=const.

Prawo Charlesa

15

Równanie stanu gazu

doskonałego

nRT

pV

p – ciśnienie [Pa]

V – objętość [m

3

]

n – liczność [kmol]

T – temperatura [K]

R=8314.47 J/(kmol

.

K) – uniwersalna stała gazowa

16

Ogólne definicje pojęć inżynieryjno-

technologicznych

Proces technologiczny jest to zespół zjawisk i działań

mających na celu uzyskanie jednego lub kilku produktów

z naturalnych lub częściowo przetworzonych surowców.

Proces technologiczny jest realizowany w jednej lub kilku

instalacjach.

Instalacja jest to zespół silników, maszyn i

aparatów współpracujących razem, przy pomocy

których jest realizowany dany proces technologiczny lub

jego część.

17

Podstawowe pojęcia techniczne

Silnikiem nazywamy urządzenie służące do zamiany
różnych rodzajów energii na pracę.

Maszyna jest to urządzenie do wykonywania ściśle

określonej pracy. Np. maszyną jest tokarka, pompa,

sprężarka itd. Maszyny na ogół posiadają elementy

ruchome.

Aparat jest to urządzenie, w którym przeprowadza

się przemianę własności fizycznych lub chemicznych

różnych substancji. Aparatami są reaktory chemiczne,

wymienniki ciepła, kolumny destylacyjne itd.

18

Podstawowe pojęcia (przykłady)

Silnik + maszyna (pompa)

19

Proces jednostkowy

Procesem jednostkowym nazywamy część procesu

technologicznego, w którym dominuje jedno

zjawisko fizykochemiczne. Proces jednostkowy

zazwyczaj zachodzi w jednym aparacie.

20

Klasyfikacja procesów jednostkowych

W zależności od rodzaju dominującego zjawiska

fizykochemicznego, procesy jednostkowe dzielimy na:

-mechaniczne (dynamiczne) takie jak np.: transport,magazynowanie,

rozdrabnianie, sortowanie, flotacja, sedymentacja, mieszanie, filtracja,

wirowanie,odpylanie itp.

-cieplne takie jak np.: ogrzewanie, chłodzenie, skraplanie, odparowywanie,

zatężanie itp.

-dyfuzyjne takie jak np.: destylacja, rektyfikacja, absorpcja, adsorpcja,

ekstrakcja, ługowanie, suszenie, nawilżanie, krystalizacja itp.

-reaktorowe (z reakcją chemiczną) takie jak np. utlenianie, estryfikacja,

sulfonowanie itp.

21

Przykładowe procesy jednostkowe występujące podczas

produkcji kwasu siarkowego

22

8. Przykładowe procesy jednostkowe występujące podczas

produkcji kwasu siarkowego

1.

Rozdrabnianie pirytu i jego transport do pieca

2.

Spalanie pirytu w piecu prażalniczym

4FeS+11O

2

=2Fe

2

O

3

+8SO

2

3.

Wstępne chłodzenie i odpylanie gazów prażalniczych

4.

Przemywanie gazów w kolumnach wypełnionych

5.

Suszenie gazów za pomocą stężonego kwasu siarkowego

6.

Usuwanie mgły kwasu siarkowego

7.

Utlenianie dwutlenku siarki do trójtlenku w piecu kontaktowym

2SO

2

+O

2

=2SO

3

8.

Wymiana ciepła między gazem wpływającym a odpływającym z pieca

9.

Absorpcja trójtlenku siarki w rozcieńczonym kwasie siarkowym

SO

3

+H

2

O=H

2

SO

4

10. Przepływ gazu i cieczy.