Эмпирическое алгебраическое уравнение состояния точнее уравнения Ван-дер-Ваальса
В физике и термодинамике уравнение состояния Редлиха –Квонга — это эмпирическое алгебраическое уравнение, связывающее температуру, давление и объем газов. Оно, как правило, точнее уравнения Ван-дер-Ваальса и уравнения идеального газа при температурах выше критической . Оно было сформулировано Отто Редлихом и Джозефом Ненг Шуном Квонгом в 1949 году. [1] [2] Оно показало, что двухпараметрическое кубическое уравнение состояния может хорошо отражать реальность во многих ситуациях, стоя рядом с гораздо более сложной моделью Битти–Бриджмена и уравнением Бенедикта–Уэбба–Рубина , которые использовались в то время. Хотя изначально оно было разработано для газов, уравнение Редлиха–Квонга считается наиболее модифицированным уравнением состояния, поскольку эти модификации были направлены на обобщение полученных с его помощью прогностических результатов. [3] Хотя это уравнение в настоящее время не используется в практических приложениях, [4] модификации, полученные из этой математической модели, такие как Соаве Редлиха-Квонга (SWK) и Пенга Робинсона , были улучшены и в настоящее время используются в моделировании и исследовании равновесий пар-жидкость . [3] [5]
Уравнение
Уравнение Редлиха–Квонга формулируется следующим образом: [6] [7]
Уравнение Редлиха–Квонга можно также представить как уравнение для коэффициента сжимаемости газа как функции температуры и давления: [8]
где:
Или проще:
Это уравнение только неявно дает Z как функцию давления и температуры, но легко решается численно, изначально графической интерполяцией, а теперь еще проще с помощью компьютера. Более того, аналитические решения кубических функций известны уже много столетий и еще быстрее для компьютеров. Уравнение состояния Редлиха-Квонга также может быть выражено как кубическая функция молярного объема. [7]
Для всех газов Редлиха – Квонга:
где:
Z c — коэффициент сжимаемости в критической точке
Используя уравнение состояния можно записать его в сокращенном виде :
Можно выразить критические константы T c и P c как функции a и b, обратив следующую систему из 2 уравнений a(T c , P c ) и b(T c , P c ) с 2 переменными T c , P c :
Из-за определения коэффициента сжимаемости в критическом состоянии его можно обратить, чтобы найти критический молярный объем V m,c , зная ранее найденные P c , T c и Z c =1/3.
Несколько компонентов
Уравнение Редлиха–Квонга было разработано с намерением применить его и к смесям газов. В смеси член b , представляющий объем молекул, является средним значением b компонентов, взвешенным по мольным долям:
Обычно предполагается, что привлекательные перекрестные члены представляют собой геометрическое среднее отдельных членов , скорректированное с использованием параметра взаимодействия , а именно: [9]
,
Где параметр взаимодействия часто является эмпирически подобранным параметром, учитывающим асимметрию в молекулярных перекрестных взаимодействиях. [9] В этом случае для притягивающего члена предоставляется следующее уравнение:
где A i — это член A для i-го компонента смеси.
Эти способы создания параметров a и b для смеси из параметров чистых жидкостей обычно известны как правила смешивания и объединения одной жидкости Ван-дер-Ваальса. [9]
История
Уравнение Ван-дер-Ваальса , сформулированное в 1873 году Иоганнесом Дидериком ван-дер-Ваальсом , обычно рассматривается как первое относительно реалистичное уравнение состояния (за пределами закона идеального газа):
Однако его моделирование реального поведения недостаточно для многих приложений, и к 1949 году оно вышло из употребления, поскольку предпочтение отдавалось уравнениям состояния Битти–Бриджмена и Бенедикта–Уэбба–Рубина , которые оба содержат больше параметров, чем уравнение Ван-дер-Ваальса. [10] Уравнение Редлиха–Квонга было разработано Редлихом и Квонгом, когда они оба работали в Shell Development Company в Эмеривилле, Калифорния . Квонг начал работать в Shell в 1944 году, где он познакомился с Отто Редлихом, когда присоединился к группе в 1945 году. Уравнение возникло в результате их работы в Shell — они хотели найти простой алгебраический способ связать давления, объемы и температуры газов, с которыми они работали — в основном неполярных и слабополярных углеводородов (уравнение Редлиха–Квонга менее точно для газов с водородными связями). Он был совместно представлен в Портленде, штат Орегон, на Симпозиуме по термодинамике и молекулярной структуре растворов в 1948 году в рамках 14-го заседания Американского химического общества . [11] Успех уравнения Редлиха–Квонга в моделировании многих реальных газов точно демонстрирует, что кубическое уравнение состояния с двумя параметрами может давать адекватные результаты, если оно правильно построено. После того, как они продемонстрировали жизнеспособность таких уравнений, многие другие создали уравнения похожей формы, чтобы попытаться улучшить результаты Редлиха и Квонга.
Вывод
Уравнение по сути эмпирическое — вывод не является ни прямым, ни строгим. Уравнение Редлиха–Квонга очень похоже на уравнение Ван-дер-Ваальса, только с небольшой модификацией привлекательного члена, придающей этому члену температурную зависимость. При высоких давлениях объем всех газов приближается к некоторому конечному объему, в значительной степени независимому от температуры, который связан с размером молекул газа. Этот объем отражен в b в уравнении. Эмпирически верно, что этот объем составляет около 0,26 V c (где V c — объем в критической точке). Это приближение довольно хорошо для многих небольших неполярных соединений — значение варьируется между примерно 0,24 V c и 0,28 V c . [12] Для того чтобы уравнение обеспечивало хорошее приближение объема при высоких давлениях, его нужно было построить таким образом, чтобы
Первый член в уравнении отражает это поведение при высоком давлении.
Второй член корректирует силу притяжения молекул друг к другу. Функциональная форма a относительно критической температуры и давления выбирается эмпирически, чтобы дать наилучшее соответствие при умеренных давлениях для большинства относительно неполярных газов. [11]
В реальности
Значения a и b полностью определяются формой уравнения и не могут быть выбраны эмпирически. Требуя, чтобы оно удерживалось в своей критической точке ,
обеспечение соблюдения термодинамических критериев для критической точки,
и без потери общности определение и дает 3 ограничения,
.
Одновременное решение этих уравнений с условием, что b' и Z c должны быть положительными, дает только одно решение:
.
Модификация
Уравнение Редлиха–Квонга было разработано в основном для предсказания свойств небольших неполярных молекул в паровой фазе, с чем оно, как правило, хорошо справляется. Однако его пытались усовершенствовать и улучшить. В 1975 году сам Редлих опубликовал уравнение состояния, добавив третий параметр, чтобы лучше моделировать поведение как длинноцепочечных молекул, так и более полярных молекул. Его уравнение 1975 года было не столько модификацией исходного уравнения, сколько переосмыслением нового уравнения состояния, и также было сформулировано таким образом, чтобы использовать преимущества компьютерных вычислений, которые не были доступны на момент публикации исходного уравнения. [12] Многие другие предлагали конкурирующие уравнения состояния, либо модификации исходного уравнения, либо уравнения, совершенно иные по форме. К середине 1960-х годов было признано, что для значительного улучшения уравнения параметры, особенно a , должны стать зависимыми от температуры. Еще в 1966 году Барнер заметил, что уравнение Редлиха–Квонга лучше всего работает для молекул с ацентрическим фактором (ω), близким к нулю. Поэтому он предложил модификацию притягивающего термина:
где
α — привлекательный член в исходном уравнении Редлиха–Квонга
γ — параметр, связанный с ω, причем γ = 0 для ω = 0 [13]
Вскоре стало желательно получить уравнение, которое также хорошо моделировало бы свойства равновесия пар-жидкость (VLE) жидкостей, в дополнение к свойствам паровой фазы. [10] Возможно, наиболее известным применением уравнения Редлиха-Квонга было вычисление летучести газа углеводородных смесей, с чем оно хорошо справляется, что затем было использовано в модели VLE, разработанной Чао и Сидером в 1961 году. [10] [14] Однако для того, чтобы уравнение Редлиха-Квонга могло самостоятельно моделировать равновесия пар-жидкость, необходимо было внести более существенные изменения. Наиболее успешной из этих изменений является модификация Соаве уравнения, предложенная в 1972 году. [15] Модификация Соаве включала замену степени T 1/2 , найденной в члене притяжения знаменателя исходного уравнения, на более сложное выражение, зависящее от температуры. Он представил уравнение следующим образом:
Уравнение Пенга–Робинсона обычно дает схожие свойства равновесия VLE, что и модификация Соаве, но часто дает лучшие оценки плотности жидкой фазы . [ 10]
Было сделано несколько модификаций, которые пытаются точнее представить первый член, связанный с размером молекулы. Первая значительная модификация отталкивающего члена за пределами уравнения Ван-дер-Ваальса
Это выражение было улучшено Карнаханом и Старлингом, и теперь оно выглядит следующим образом [18]:
Уравнение состояния твердой сферы Карнахана-Старлинга широко использовалось при разработке других уравнений состояния [10] и, как правило, дает очень хорошие приближения для отталкивающего члена. [19]
Помимо улучшенных двухпараметрических уравнений состояния, были разработаны ряд трехпараметрических уравнений, часто с третьим параметром, зависящим либо от Z c , коэффициента сжимаемости в критической точке, либо от ω, ацентрического фактора. Шмидт и Венцель предложили уравнение состояния с привлекательным термином, который включает ацентрический фактор: [20]
Это уравнение сводится к исходному уравнению Редлиха–Квонга в случае, когда ω = 0, и к уравнению Пенга–Робинсона при ω = 1/3.
^ Мердок, Джеймс У. (1993), Фундаментальная механика жидкости для практикующего инженера , CRC Press, стр. 25–27, ISBN 978-0-8247-8808-7
^ Редлих, Отто; Квонг, Дж. Н. С. (1949). «О термодинамике растворов». Chem. Rev. 44 ( 1): 233–244. doi :10.1021/cr60137a013. PMID 18125401.
^ ab Valderrama, José O. (2003-04-01). "Состояние кубических уравнений состояния". Industrial & Engineering Chemistry Research . 42 (8): 1603–1618. doi :10.1021/ie020447b. ISSN 0888-5885.
^ «10.3: EOS Редлиха-Квонга (1949)» . Инженерные свободные тексты . 31 июля 2016 г. Проверено 13 сентября 2024 г.
^ ab Murdock, James W. (1993), Фундаментальная механика жидкости для практикующего инженера , CRC Press, стр. 25–27, ISBN978-0-8247-8808-7
^ ab McQuarrie, Donald A.; Simon, John D. (1997). Физическая химия: молекулярный подход . Sausalito: University Science Books. стр. 645–648. ISBN0-935702-99-7.
^ ab Redlich, Otto; Kwong, JNS (1949). «О термодинамике растворов». Chem. Rev. 44 ( 1): 233–244. doi :10.1021/cr60137a013. PMID 18125401.
^ abcd Coutinho, João AP; Kontogeorgis, Georgios M.; Stenby, Erling H. (1994-11-28). "Параметры бинарного взаимодействия для неполярных систем с кубическими уравнениями состояния: теоретический подход 1. CO2/углеводороды с использованием уравнения состояния SRK". Fluid Phase Equilibria . 102 (1): 31–60. doi :10.1016/0378-3812(94)87090-X. ISSN 0378-3812.
^ abcde Tsonopoulos, C.; Heidman, JL (1985). «От Редлиха–Квонга до настоящего времени». Fluid Phase Equilibria . 24 (1–2): 1–23. doi :10.1016/0378-3812(85)87034-5.
^ аб Рейф-Ахерман, Симон (2008). «Джозеф Ненг Шун Квонг: известный и малоизвестный ученый». Кимика Нова . 31 (7): 1909–1911. дои : 10.1590/S0100-40422008000700054 .
^ ab Redlich, Otto (1975). «О трехпараметрическом представлении уравнения состояния». Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals . 14 (3): 257–260. doi :10.1021/i160055a020. S2CID 92316637.
^ Barner, HE; Pigford, RL; Schreiner, WC (1966). «Модифицированное уравнение состояния Редлиха–Квонга». 31-е полугодовое совещание, API Div Refining .
^ Чао, К. К.; Сидер, Дж. Д. (1961). «Общая корреляция парожидкостных равновесий в углеводородных смесях». Журнал AIChE . 7 (4): 598–605. doi :10.1002/aic.690070414.
^ Соаве, Джорджио (июнь 1972 г.). «Константы равновесия из модифицированного уравнения состояния Редлиха–Квонга». Chemical Engineering Science . 27 (6): 1197–1203. doi :10.1016/0009-2509(72)80096-4.
^ Пэн, Дин-Ю; Робинсон, Дональд (1985). «Новое уравнение состояния с двумя константами». Основы промышленной и инженерной химии . 15 (1): 59–64. doi :10.1021/i160057a011. S2CID 98225845.
^ Thiele, Everett (1963). "Уравнение состояния для твердых сфер". Journal of Chemical Physics . 39 (2): 474–479. Bibcode :1963JChPh..39..474T. doi :10.1063/1.1734272. Архивировано из оригинала 24 февраля 2013 года . Получено 6 мая 2012 года .
^ Carnahan, Norman; Starling, Kenneth (1969). "Уравнение состояния для непритягивающихся жестких сфер". Journal of Chemical Physics . 51 (2): 635–636. Bibcode :1969JChPh..51..635C. doi :10.1063/1.1672048. Архивировано из оригинала 23 февраля 2013 года . Получено 6 мая 2012 года .
^ Сонг, Юхуа; Мейсон, Э.А.; Страт, Ричард (1989). «Почему уравнение Карнахана-Старлинга работает так хорошо?». Журнал физической химии . 93 (19): 6916–6919. doi :10.1021/j100356a008.
^ Шмидт, Г.; Венцель, Х. (1980). «Модифицированное уравнение состояния типа Ван-дер-Ваальса». Chemical Engineering Science . 35 (7): 1503–1512. doi :10.1016/0009-2509(80)80044-3.