Каждый покупатель надеется, что приобретаемая им продукция будет экологически чистой и безопасной. А значит, инженерам нужно освежить свои знания в области химии потому, что процессы, определяемые химической кинетикой и термодинамикой, влияют на качество практически любого изделия. В результате они позволяют выяснить, является ли оно биосовместимым и не содержит ли загрязняющих веществ.

Что такое химическая кинетика?

Следует отметить, что химическая кинетика и термодинамика – связанные вещи. Кинетика определяет скорость реакции, а термодинамика – направление реакции.

Бывают случаи, когда химические вещества находятся в термодинамическом равновесии и реакции не происходит – даже если кинетика указывает на то, что пути протекания реакций существуют.

Что такое свободная энергия Гиббса или химическая потенциальная энергия?

Всё в природе обладает потенциальной энергией. Когда тело падает, его гравитационная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию.

Точно так же происходит и в химии. Свободная энергия Гиббса, также известная как химическая потенциальная энергия, указывает на то, превратятся ли одни химические соединения в другие.

Каждая химическая смесь имеет различную свободную энергию Гиббса в зависимости от ее температуры, давления и состава. Знание потенциальной энергии для каждого компонента в химической реакции позволяет инженерам определить, будут ли они реагировать и как.

Если потенциальная энергия продуктов больше, чем реагентов, то существует барьер для протекания этой реакции. Если потенциальная энергия продуктов меньше, чем реагентов, то реакция произойдет.

Точно так же, как яблоко падает с дерева на землю, так и химия хочет переместить реакцию в точку, минимизирующую потенциальную энергию.

Поэтому, когда инженеру необходимо «подтолкнуть» равновесную реакцию к получению определенного продукта, ему необходимо произвести манипуляции с химическим потенциалом смеси, изменяя ее температуру, внешнее давление и концентрацию компонентов.

Что такое закон скорости и как он соотносится с порядком реакции?

Законы скорости и порядки реакции описывают элементарные химические реакции.

Обратимые реакции могут происходить так:

• Одна молекула распадается на новые компоненты.
• Две молекулы/атомы соединяются, образуя новые соединения.
• Две молекулы/атомы соединяются под влиянием третьего компонента, образуя новые соединения.

Мономолекулярные реакции, в которых молекула распадается, имеют порядок реакции, равный единице. Реакции, требующие соединения двух молекул/атомов, имеют порядок, равный двум, и так далее.

Для неэлементарных реакций порядок реакции может быть определен эмпирически.

zA + yB + … + aZ = Продукты реакции

Скорость = k ∙ [A]z ∙ [B]y ∙ … ∙ [Z]a

Скорость зависит от константы (k), концентрации реагентов ([A], [B] и [Z]) и порядка реакции (z, y и a). Значение k может быть определено путем определенных вычислений или эмпирически.

К счастью, инженеры могут определить скорость неизвестных реакций на основе значений скорости для уже известных реакций. Таким образом, изучая и классифицируя элементарные реакции, ученые разработали правила скорости для оценки других реакций.

Также существуют факторы, которые могут повлиять на скорость реакции:

• Температура.
• Давление.
• Свет (для фотолитических реакций).
• Электромагнитные поля (для плазменных или электрохимических реакций).
• Состояние химического вещества: твердое, жидкое или газообразное.
• Присутствие катализаторов.
• Молекулярный размер и структура.
• Площадь контактных поверхностей.
• Размер частиц.

Что такое неэлементарные реакции?

Часто учебники по химии определяют глобальную реакцию так же, как и элементарные реакции:

zA + yB + … + aZ = Продукты реакции

В действительности эта реакция может иметь тысячи промежуточных реакций, протекающих поэтапно. Общая реакция – когда все элементарные реакции идут к завершению – может быть затем упрощена до компонентов A, B, C, D и далее.

Некоторые из этих реакций могут не зависеть от давления или температуры. Другие могут быть довольно сложными, требующими трех или более соединений, прежде чем они вступят в реакцию. Третьи могут быть ускорены путем введения катализатора, чтобы заставить систему предпочесть определенные пути реакции.

Тем не менее, каждая из этих промежуточных реакций может по-разному влиять на скорость общей реакции. Однако, когда у вас есть сотни соединений и тысячи реакций, процесс становится слишком сложен для оценки и управления.

Традиционно инженеры были вынуждены определять скорость сложных реакций экспериментально. Однако, в наши дни можно легко использовать численное моделирование для их изучения, чтобы найти оптимальную температуру, технологию процесса или давление, а также сдвинуть систему в сторону.

В каких случаях необходимо уделять повышенное внимание химической кинетике и термодинамике процессов?

Давайте рассмотрим реальный пример – сокращение вредных выбросов двигателя.

Преобразование топлива в углекислый газ, воду и прочие составляющие происходит каждый день. Однако, нельзя игнорировать парниковые и вредные эффекты конечных продуктов реакции.

Моделируя процесс с учетом кинетики и термодинамики химических реакций, инженеры могут контролировать, как горит топливо, чтобы уменьшить выброс определенных загрязняющих веществ.

Главная задача — контролировать температуру, давление и воздушные смеси в двигателе так, чтобы доминировали процессы, которые вырабатывают больше энергии с наименьшим количеством загрязняющих веществ.

Проблема заключается в том, что бензин не является монолитным химическим соединением. Это многокомпонентная смесь, состав которой может варьироваться в концентрациях в зависимости от местоположения, сезона и производственных процессов. Поэтому инженерам нужно спроектировать двигатель, чтобы он работал на самых разных видах топлива.

В процессе сгорания топлива в камере сгорания двигателя задействованы тысячи реакций. Поэтому лучший способ оценки уровня вредных выбросов – использование численного моделирования.

Современные CFD-решатели Ansys позволяют дополнить моделирование гидрогазодинамических процессов химическими реакциями с учетом их кинетики и термодинамики, благодаря чему можно проводить оптимизацию механизма сгорания. В то же время использование мультидисциплинарного подхода к моделированию в среде Ansys Workbench позволяет проанализировать и другие процессы в двигателе, например, термопрочностные и усталостные, обусловленные циклической тепловой нагрузкой.

Специалисты компании «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» будут рады помочь вам с освоением технологий численного моделирования протекания химических реакций в таких комплексах как, Ansys Fluent, Ansys Chemkin, Ansys CFX, Ansys Forte.

Напишите нам через форму обратной связи на странице https://elearning.digitaltwin.ru/online-typical/ о том, что вам необходимо смоделировать и мы подскажем, какой модуль Ansys лучше всего справится с этой задачей и какой мастер-класс мы можем для вас провести!

Оригинал статьи: https://www.ansys.com/blog/chemical-kinetics-basics