В различных устройствах и аппаратах часто приходится иметь дело со смешением различных газов (жидкостей) или же разных порций одного и того же газа (жидкости) при различных параметрах обоих компонентов. При рассмотрении процессов смешения задача обычно состоит в определении параметров состояния смеси по известным параметрам состояния компонентов, составляющих эту смесь. Решение этой задачи будет различным в зависимости от тех условий, при которых осуществляется этот процесс. Различные способы осуществления процесса смешения рассмотрены ниже. Мы ограничимся здесь рассмотрением процессов смешения одного и того же газа (жидкости) при различных параметрах смешивающихся порций вещества. Поскольку в настоящей книге мы не касаемся вопросов термодинамики растворов, не будем рассматривать процессы смешения различных газов и жидкостей. Процесс смешения будем рассматривать происходящим без подвода теплоты к веществам или отвода от них при смешении, т. е. адиабатно. Что же касается смешения при наличии подвода теплоты, то очевидно, что его можно мысленно расчленить на два этапа — смешение без подвода теплоты и затем подвод теплоты к получаемой смеси. Таким образом, неадиабатное смешение может быть сведено к адиабатному с последующим теплообменом. Процесс смешения в постоянном объеме. Рассмотрим процесс смешения, происходящий в некотором сосуде с постоянным объемом V. Пусть этот сосуд разделен перегородкой на два отсека, в одном из которых находится газ (жидкость) с параметрами pi, v, Т, Щ, в другом — тот же газ (жидкость) с параметрами р2, v2, Т2. Массу газа в одном отсеке и объем этого отсека обозначим соответственно Gx и Vi, а в другом отсеке — G2 и V2. Очевидно, что если убрать перегородку, разделяющую эти отсеки, то произойдет смешение обеих частей газа. В результате смешения давление, температура и плотность газа по всему объему сосуда выравняются. Значения параметров состояния газа после смешения обозначим р, v, Т, и. Поскольку, как мы условились, рассматриваем процесс смешения в сосуде, снабженном адиабатной оболочкой, и объем сосуда постоянен, очевидно, что в данном случае мы имеем дело с изолированной термодинамической системой, подробно рассмотренной в гл. 5. Напомним, что в такой системе V = Vx + V2 = const; U^UX + U%^ const.
Рассматриваемый процесс смешения является существенно необратимым. В самом деле, для того чтобы вновь разделить газ в сосуде на две части, имеющие существенно различные температуры и давления, надо было бы затратить внешнюю работу, тогда как процесс смешения (выравнивание температур и давлений) идет самопроизвольно. Как и во всяком необратимом процессе, в рассматриваемом процессе смешения энтропия возрастает. Этот вывод очевиден и из иных соображений: поскольку, как показано в гл. 3, любые процессы в изолированной термодинамической системе приводят к увеличению энтропии системы, очевидно, что и в рассматриваемом нами процессе смешения энтропия газа возрастает.
Что касается остальных параметров газа после смешения (р,Т), то для реальных газов и жидкостей они аналитически в общем виде через значения параметров первой и второй частей рассматриваемой системы (т. е. компонентов смеси) определены быть не могут. Для их определения можно воспользоваться и, о-диаграммой, на которой нанесены изобары и изотермы, или и, Г-диаграммой с нанесенными на ней изохора-ми и изобарами; определив с помощью соотношений (7.159) и (7.160) ни» газа после смешения, из диаграмм можно найти р, Т, s.
Значения Т и v газа после смешения могут быть непосредственно выражены через известные значения параметров состояния смешиваемых порций газа только для идеального газа. В этом случае температура газа после смешения Т определяется следующим образом. Для идеального газа, теплоемкость которого постоянна, и = ссТ (для идеальных газов, теплоемкость, которых меняется с температурой, в этих соотношениях будет фигурировать средняя теплоемкость с£р)*.
