Osmoza odsalania i Carnot

Original: http://urila.tripod.com/Osmosis_Carnot.htm

Historia zaczyna się w Paryżu, Łuku Triumfalnego i Pól Elizejskich. Jak wiemy aleja zaczyna się od Łuku Triumfalnego, ale nie tylko to aleja. Istnieje kilka dróg, które rozpoczynają się stamtąd do wszystkich kierunkach. Jak wielu? Byłem tam i liczy dwanaście. Jednym z nich jest Avenue Carnot. Kto był Carnot? Lazare Carnot (1754 – 1823) był generałem w wojsku Napoleona, a później minister w jego rządzie. Po klęsce Napoleona udał się na wygnanie i nigdy nie wrócił. Był także wybitnym matematykiem. Dlaczego jesteśmy nim zainteresowani? W rzeczywistości nie jesteśmy naprawdę zainteresowani, nawet nie na wszystkich. Jesteśmy zainteresowani Sadi Carnot jego syna (1796/32). Istnieje również droga ku jego czci gdzieś indziej w Paryżu. Sadi nie jest typowo francuskim nazwa, ale nazwa perskiego poety.

Sadi Carnot żył w pierwszej połowie 19 wieku. Był inżynierem, który pracował dla armii francuskiej i rozpatrywane najbardziej zaawansowanych technologii w czasie. Co było najbardziej technologii wtedy? – Silniki parowe.

Silniki parowe są dziś nostalgia “chif chif chaf lokomotywa dmuchany”, ale rzeczy były bardzo różne w tym czasie. Jeśli chcesz iść z miasta do miasta, a następnie zamiast siedzieć w wózku, skakać na kamienie, tonąć w błocie i być podatne na autostrady-manów, a nie wszystko, będzie można szybko przejść na wagonu kolejowego i wygodnie dotrzeć na czas do celu. Jeśli na przykład chcesz płynąć do odległego kraju, to zamiast podróżować z żaglówką i utknąć na wiele tygodni w środku oceanu, bo nie ma wiatru, a nie, że wkrótce podróżować łodzią parową i wiedzieć podczas urlopu, a po przyjeździe. Być może najważniejsze, będzie to możliwe do pompowania wody do domów w mieście, i nie będzie potrzeby, aby ją ze studni lub rzeki z dzbanków, co jest bardzo romantyczne, ale nie wygodne.

Przyszłość wyglądała obiecująco, spojrzał jasne, a nasz Carnot szukali sposobów poprawy silnik parowy. Co mu się stało to jest to, co się stało z królem Saulem w swoim czasie. Saul poszedł szukać osły i znaleźli królestwo. Carnot poszedł szukać silników parowych i co mu się znaleźć? Znalazł najważniejsze prawa nauki od zawsze. Obecnie prawo to jest nazywane drugą zasadę termodynamiki.

Niedługo będziemy rozmawiać o prawa Carnot, ale wcześniej kilka słów o człowieku. Sadi Carnot zmarł w młodym wieku, po trzydziestce, w jednej z plag, które były modne w tym czasie, a on nie wiedział, że był taki człowiek. Prawdopodobnie również nie znane, a także nikt inny, gdyby nie innego człowieka, który odnaleziony prawa 30 lat później. Ten człowiek był nie tylko wielkim naukowcem, ale także wielkim człowiekiem i dlatego będziemy go czcić i zadzwonić do niego po imieniu, Clausiusa. W przeciwieństwie do tego, co jest powszechne dziś, że ludzie podejmują pracę innych i przypisać ją do siebie, po tym jak odkrył prawo, Clausiusa poszedł i usiadł w bibliotekach i archiwach wyglądał w dawnych, aby zobaczyć, czy ktoś inny odkrył prawo przed nim. W końcu znalazł pracę Carnot, szeroko publikowane go i dał mu wszystkie zasługi i szacunek, że zasłużył. Dlaczego prawo Carnota jest drugie prawo termodynamiki? Ponieważ w ciągu 30 lat, które przeszły pierwsze prawo odkryto. Dziś to się nazywa zachowania energii.

Po takim pompatycznym wstępie można by pomyśleć, że co najmniej 10 lat na uczelni są wymagane, aby dowiedzieć się prawo Carnota, jednak to nie jest tak, że w ogóle.Świat Carnot był dynamiczny świat procesów – przędzenia koła, tłoki w górę iw dół, otwieranie i zamykanie zaworów, parowa gwiżdżąc przez kominy, tohooo … i Carnot starał się myśleć o tych procesów w bardziej abstrakcyjny sposób. Był szczególnie zainteresowany “odwracalnych procesów”.

Co to jest proces odwracalny? Podobnie jak jego nazwa, jest to możliwe, aby odwrócić kierunek jego działania.Najlepsze jest to, aby zobaczyć przykład, jak na poniższym rysunku, gdzie widzimy rozciągania gumką. Trzymając zespół o określonej długości wymaga konkretnej siły rozciągające między ramionami. Jeśli teraz siła wzrosła nieco zespół potrwają trochę więcej, a jeśli siła jest zredukowana do jego poprzedniej wartości zespół zostanie skrócony do poprzedniej długości. Ćwiczenie powtarza się w różnych długościach, a tu jest procesem odwracalnym. Oczywiste jest, że taśma jest rozciągnięta coraz bardziej, że w końcu nieodwracalnie być rozerwana. Tak więc, proces ten jest odwracalny tylko w pewnym zakresie długości taśmy.


Rysunek 1: rozciągnięciu gumki – przykładem odwracalnym procesie. Zwiększenie siły wydłuży zespół. Zmniejszenie siły do jego poprzedniej wartości skróci zespół do poprzedniej długości.

Nie wszystkie procesy są odwracalne, na przykład mieszania łyżeczką cukru w pełnej filiżanki herbaty.Cukier nie może być “zmieszane” potem z herbaty przez odwrócenie ruchu łyżka. Mieszanie cukru jest procesem nieodwracalnym.

Carnot Postuluje się, że procesy są odwracalne najefektywniejsze w naturze. Każdy proces, który nie jest odwracalny będzie mniej skuteczne. Ten prosty postulat ma, jak zobaczymy, daleko idące konsekwencje, a Carnot wykorzystywane do analizy działania silnika parowego.Praca silnika parowego jest skomplikowanym procesem, który obejmuje etapy ogrzewania i chłodzenia, a Carnot miał do czynienia z pełnym cyklu operacji, niektóre z nich z zwiększając lub zmniejszając temperaturę. Nasz system odsalania jest prostsze i można przyjąć, że temperatura jest jednolity i stały.

Teraz, że są wyposażone w tego silnego prawa Carnot, że nadszedł czas, aby przejść do odsalania wody. Rysunek 2 przedstawia zbiornik zbudowana z rury w kształcie litery U z półprzepuszczalną membraną w dnie, która oddziela dwa jego ramiona.Półprzepuszczalna membrana jest membraną, która umożliwia przechodzenie przez nią wody, ale blokuje przepływ soli.

 

 
Rysunek 2: półprzepuszczalna membrana dzieli ramiona rury w kształcie litery U, która zawiera wodę. Sól w lewym ramieniu generuje ciśnienie osmotyczne w nim.Ciśnienie na tłok nad roztworem w lewym ramieniu określa kierunek przepływu wody przez membranę.

Wody najpierw dodano do naczynia, ponieważ mogą przechodzić z boku na bok, to osiągnąć ten sam stopień na obu ramionach. Teraz dodaje się pewną ilość soli, na lewym ramieniu.Sól, która nie może przejść do drugiego ramienia rozpuszcza się w wodzie i wytwarza ciśnienie osmotyczne, który wywołuje przepływ wody z czystej wody do ramienia ramienia roztworu soli.Przejście wody podnosi poziom roztworu nad czystym poziomu wody. Proces przejścia wody nazywa się osmozy. Dlaczego jest generowane ciśnienie osmotyczne? A dlaczego to wywoływać przepływ wody? Na potrzeby będziemy zarezerwować do późniejszej dyskusji na te pytania.

Możliwe jest, aby zatrzymać przepływ wody z ramienia ramienia umieszczając tłoka na powierzchni roztworu i generowania nacisku na nią, które jest równe ciśnieniu osmotycznym. Teraz system jest w stanie statycznym, nic się nie porusza. Jeśli wzrost ciśnienia na tłok przesunie się w dół i woda przepływa z powrotem do roztworu soli w czystej wodzie. Jest odwrotna osmoza i proces odsalania ponieważ przenosi wodę z roztworu soli do czystej wody. Jeśli zmniejszenie wzrostu nacisku na tłok z powrotem do wartości początkowej, w kierunku przepływu wody będzie ponownie do tyłu, woda przechodzi do roztworu soli, a tłok przesuwa się i powrócić do swojego pierwotnego położenia. Co to jest proces? Prawda, że jest to proces odwracalny. Co mówi prawo Carnota nam o tym? Jest to prawdopodobnie najbardziej skuteczny.

Kiedy tłok popycha objętość V wody przez membranę, a następnie praca wykonywana jest równe ciśnieniu osmotycznym razy tym tomie. Tak, że wiemy, jak wiele energii powinny być inwestowane w celu odsalania określonej ilości wody. Energia ta jest minimalna wymagana do odsalania, ponieważ proces ten jest odwracalny. W każdym innym procesie, który nie jest odwracalny będziemy musieli inwestować więcej energii.

Energii zainwestował w pcha tłok w dół jest dokładnie równa energii zwracanej gdy tłok jest przywracany do pierwotnego położenia. Opis ten wydaje się zbyt piękne, aby mogło być prawdziwe i rzeczywiście, są straty na każdym etapie, że nie można uniknąć. Na przykład, woda przejście przez błonę obejmuje nieuniknione straty energii, która nie zależy od kierunku przepływu wody. Naciskając tłok wymaga więcej energii niż w przypadku odwracalnego granicy, a gdy jest schowany się mniej energii niż limit jest odwracalny otrzymałem. Energii jest tracona w obie strony. Jest to możliwe tylko zmniejszyć poprzez zmniejszenie szybkości przepływu wody.Odwracalny proces jest więc, abstrakcja lub limit naturalnego procesu, który zawsze wiąże się pewne nieodwracalne straty.

Z tych rozważań jest oczywiste, że nie jest możliwe do odsalania wody bez inwestycji jej wcale. Jeśli w jakiś magiczny sposób byliśmy na sukces do odsalania wody z roztworu bez nakładu energii, możemy skorzystać z tej wody i wytwarzania energii z naszego statku przez powrót wody do roztworu soli z procesu osmozy. Powtarzając tę procedurę w kółko otrzymujemy perpetuum mobile maszynę, która wytwarza energię z niczego. Proces taki jest, oczywiście, możliwe.

Jako pośredni Podsumowując, nie jest to proces osmozy i odwróconej osmozy, że praktycznie nic nie wiemy o, jednak, z pomocą prawa Carnota wiemy o nim dużo wiedzą.

Przed Carnot widzenia materialnego świata został oparty na mechanice praw Newtona. Prawa Newtona są deterministyczne. Zgodnie z nimi, gdy stan systemu jest znane, czyli pozycji i prędkości wszystkich cząstek w układzie, prawa dokładne określenie miejsca, w którym cząstki są w każdej chwili w czasie. Podobnie, prawo ustalenia miejsc i prędkości, gdzie zostały one w dowolnym momencie w przeszłości. W rzeczywistości, wiedząc, nie wiedząc, nie jest ważne. Prawa działać na cząstkach tak. To deterministyczny pogląd na świat, który jest w przeciwieństwie do naszego codziennego doświadczenia, była wielka zagadka przez długi czas.

Mechaniczne pogląd na świat doprowadziło ludzi do poszukiwania wybranych fragmentów układów w celu zastosowania prawa Newtona na nich i zrozumieć je w ten sposób – i więcej szczegółów, tym lepiej. W przeciwieństwie do tego, stosowanie prawa Carnota w naszym skromnym przykładem osmozy pozwala spraw zrozumienie znaczenia w systemie, że prawie nie znają i nie rozumieją. W wielu przypadkach szczegółową wiedzę, która jest wymagana w widoku mechanicznego nie jest konieczne. Prawo Carnota rozszerza pojęcia, co nauka jest o. Jeśli przed Carnot tylko matematyki, fizyki, astronomii i może trochę chemii, zostały uznane nauki, prawo Carnota otworzył szeroką bramę, aby przejść przez do nauk przyrodniczych, ekonomii i nauk społecznych, a także sztuki i nauk humanistycznych. Sprawy systemów mogą być omawiane sensownie, nawet jeśli niewiele o nich wiadomo.

Najwyraźniej naive postulat Carnota, że proces ten jest odwracalny będzie zawsze mniej skuteczny niż odwracalnym procesie ma jeszcze ważne konsekwencje. Załóżmy, że filmujemy proces, który nie jest odwracalny z kamerą. W pewnym momencie się zatrzymać i uruchomić film do tyłu, jak to, co widzimy w telewizji wiele razy lub w filmach. Czy wstecznego film, który patrzymy na proces, możliwy w przyrodzie? Według Newtona, tak. Wszystko, co musimy zrobić, to zatrzymać system i odwrócić kierunek wszystkich cząstek tyłu. Wszystkie cząstki są następnie przejść z powrotem do ich pierwotnych miejscach, układ powróci do stanu początkowego, jak pokazano na odwróconej powłoki. Co mówi prawo Carnota o nim powiedzieć? Wcale nie. Dlaczego? Gdyż jeśli wydajność procesu jest nakręcony początkowo poniżej odwracalnego procesu, a wydajność procesu docierania do tyłu, że system powraca do stanu początkowego, będzie większa niż w odwracalnym procesie. Nie jest to możliwe w przyrodzie według prawa Carnota. Kto ma rację? Newton czy Carnot? Rzeczywistość mówi nam, że Carnot ma rację. Prawa Newtona nie są zdolne do rozróżniania między przeszłością i przyszłością. W przeciwieństwie do tego, ten prawa Carnota, że nie jest możliwa zmiana procesów w przyrodzie do tyłu, oznacza, że nie ma różnicy między przeszłych i przyszłych. W związku z tym, że jest coś nowego w prawie Carnota, że nie istnieje w prawie Newtona. To trwało długo na ten punkt, aby być zrozumiana.

Pionierska praca Carnot, niektórzy mówią, “oświecenie”, poprowadził do nauki termodynamiki.Umiejętność radzenia sobie z systemów, gdy nie wiele o nich wiadomo, doprowadziły do wprowadzenia prawdopodobieństwa w teorii, a na które do nauki mechaniki statystycznej. Teoria kwantowa, opracowany w pierwszej połowie 20 wieku, zastąpiona “nie wiem” przez “nie wiem”, i że konflikt z prawami Newtona deterministycznej zniknął w dużym stopniu. Termodynamiki i mechaniki statystyczne od penetruje podstawie wszystkich gałęziach nauki i wydaje się niemożliwe bez nich. Na przykład “czarne dziury”, te dziwne ciała we wszechświecie, które pochłaniają wszystko w pobliżu nimi. Termodynamiczne argumenty ostatnich lat wskazują, że również organy te odparować powoli tracą materiału dopóki nie zniknie.

Po wędrówki w takiej wysokości, że nadszedł czas, aby wylądować na twardym gruncie i powrócić do odsalania wody. Możemy pamiętam kilo-kalorii z czasów szkolnych, jednostka energii, która jest równa ilości ciepła potrzebnej do ogrzewania litra wody o jeden stopień Celsjusza. W celu podgrzania jednego litra, w temperaturze 20 ° do temperatury 100 ° wrzenia, trzeba w związku z tym 80 kilo-kalorii. Jeśli chcemy, aby zagotować wodę i do tego przekształcenia go z cieczy do pary będziemy potrzebować więcej 540 kilo-kalorii. Ile kilo-kalorii są wymagane w celu odsalania jeden litr wody morskiej?Minimalna energia, przez prawo Carnota, to trochę więcej niż pół kilo kalorii. W zakładach odsalania są straty nieuniknione i rzeczywiście wymagana energia jest około 2 do 3 kilo-kalorii. Mimo to energia potrzebna do podgrzania wody na filiżankę kawy jest znacznie powyżej wymaganej energii do odsalania tej wody.

Odsalanie wymaga energii, bez wątpienia, ale to z pewnością nie jest energochłonne, a ponieważ istnieje duże niedobór wody w wielu miejscach na świecie, że będzie tylko bardziej dotkliwe, nie ma innego wyjścia, ale do jej stosowania. Wody grzewczej jest dużo bardziej energochłonne. W 1960 roku ubiegłego wieku została uchwalona ustawa, która wymaga co nowego mieszkania, aby mieć słoneczne do podgrzewania wody. W latach ustawa ta spowodowała znaczne oszczędności paliwa i energii. Byłoby interesujące dowiedzieć się, ile zostało zapisane od tego czasu.

Niektóre kraje, na przykład w Skandynawii i Syberii, mają nadmiar czystej wody. W tych miejscach, to możliwe jest wytwarzanie energii na drodze osmozy od zasolenia wody morskiej.Szczególnym przypadkiem są martwe morze, które jest około dziesięć razy więcej soli fizjologicznej niż wody morskiej. Przez dziesięciolecia wody w rzece Jordan-pompowana była od Jeziora Galilejskiego i używane do picia i nawadniania. Jeśli wody rzeki będą mogli ponownie płynąć do Dead-Sea, jak w przeszłości, to byłoby możliwe do produkcji energii, gdzie rzeka płynie do morza. Dużo więcej energii może być produkowana od wody jest znacznie bardziej soli fizjologicznej.W pełnym rozmiarze odsalania może dostarczyć podobną ilość wody, a w tym samym czasie, Morza Martwego można zapisać się od parowania i ostatecznie zanika.

Jest jeden lewy zadłużenia. Co to jest rzeczywiście osmozy?

Wyjaśnienie do zjawiska osmozy wygłosił-Hoff, wiednimi holenderskiego chemika, i przyniósł mu pierwszą nagrodę w dziedzinie chemii Noble w roku 1901. van’t-Hoff się analogii między cząstkami w roztworze i cząsteczek w pojemnik i postuluje się, że formuła ciśnienie osmotyczne w roztworze jest identyczny ze wzorem ciśnienia gazu doskonałego w pojemniku.Analogicznie wnioskuje, że ciśnienie osmotyczne nie zależy od typu rozpuszczonych cząstek, a proporcjonalny tylko do ich stężenia.

van’t-Hoff pisze: “Mechanizm, dzięki któremu, według naszych obecnych wyobrażeń, elastyczna ciśnienie gazów produkowanych jest zasadniczo taka sama jak ta, która prowadzi do ciśnienia osmotycznego w roztworach To zależy, w pierwszym przypadku, po.wpływ cząsteczek gazu na ścianie naczynia, w tych ostatnich, na oddziaływania z cząsteczkami substancji rozpuszczonej w stosunku do membrany półprzepuszczalnej, ponieważ cząsteczki rozpuszczalnika są obecne po obu stronach membrany, przez które przekazać, nie zamieszczaj pod uwagę. ”

van’t-Hoff był również pierwszym zaproponować przestrzenną trójwymiarową strukturę cząsteczki chemicznej, a przez to sugestia otworzył nowe horyzonty do nauki chemii i wszystko, co następuje. W ujęciu historycznym to może działać warte nagrody Nobla, jak również. van’t-Hoff myśli struktury trójwymiarowej, gdy był doktorantem, ale ktoś poradził mu, aby go nie opublikuje niezwłocznie, jednak poczekać i złożyć bardziej standardowe prace na stopień, i tak zrobił.

Na szczęście dla van’t-Hoff dane doświadczalne osmozy nie były wystarczająco jasne, i tak mógłby przekazać swoją teorię. Wkrótce okazało się, że ciśnienie osmotyczne formuła działa w cząsteczkach, takich jak cukier, ale nawet z prostej cząsteczki soli jak tabeli ciśnienie osmotyczne jest około dwa razy tyle, jak oblicza się ze wzoru.

Wynik ten przyniósł Arrhenius, szwedzki chemik, na to, że cząsteczka soli kuchennej rozpada się na jony sodu i chloru, gdy rozpuszcza się w wodzie. Ponieważ każda cząsteczka soli składa się z tych dwóch jonów, ich całkowite stężenie jest dwukrotnie większa od koncentracji molekularnej. Zatem ciśnienie osmotyczne powinny być podwojona. Arrheniusa nie otrzymują porady podobny do prezentacji van’t-Hoff i złożył na jego teorię dr. Jego rozpatrywanie profesorowie mu nie wierzyć, ale bałeś się dyskwalifikuje jego pracę. Więc dali mu niską ocenę pozytywną. Arrheniusa stał się znany w najbliższych latach, przyczynił ważniejszych osiągnięć naukowych i otrzymał nagrodę Nobla w 1903 roku.

Analogia van’t-Hoff jest między ciśnieniem osmotycznym i ciśnienie gazu nie została przyjęta w kolejnych latach. Odrzucił wielu przeciwników, i to nie jest akceptowane, nawet dzisiaj. Były i są osoby, które twierdzą, że podobieństwo między ciśnieniem osmotycznym i ciśnienie gazu jest po prostu zbieg okoliczności. Nie ma wiele korzyści omawiania tej sprawy, i to, co pozostaje, to przytoczyć niektóre z największych ludzi nauki.

Młody i jeszcze nie znany człowiek, Albert Einstein, trzeciego stopnia egzaminator patentowe w urzędzie patentowym w Bernie, napisał pięć prac naukowych w 1905 roku, które zmieniły świat, aw tym roku stał się znany jako “annus mirabilis” – rok cudów , Jego druga praca dotyczy “ruchów Browna”. Brown był botanikiem, który spojrzał przez mikroskop na drobne cząstki, które unoszą się w kropli wody. Cząstki nie są w stanie spoczynku, ale ciągle w drgania i przeniesiona z miejsca na miejsce w sposób przypadkowy. Początkowo zjawisko przypisać do życia ciała, ale potem okazało się, że to było zaobserwować w nieożywionych cząsteczek. Einstein wyjaśnił to zjawisko, proponując, że ciekłe cząsteczki, które otaczają cząstkę, uderzył go w sposób ciągły we wszystkich kierunkach oraz, że zmuszają go do poruszania się losowo.

Dlaczego to wyjaśnienie jest ważne? Każdy wie, że materiały są zbudowane z atomów, które kiedyś były uważane za podstawowe cząstki niepodzielne. Dziś wiemy, że atom składa się z jądra wykonane z protonów i neutronów, które jest otoczone przez elektrony. Cząstki te są zbudowane z jeszcze bardziej fundamentalnych cząstek. W 19 wieku hipoteza atomowa nie była brana za pewnik i wiele osób uważało, że atomy naprawdę nie istnieją, ale są po prostu wygoda, który pomaga matematyczne Wykonywanie obliczeń. Po opublikowaniu pracy Einsteina pomysł, że atomy naprawdę istnieją stał powszechnie akceptowane.

Na początku pracy Einsteina zapisuje (source w niemieckim): “należy założyć, że zawieszone cząstki wykonania nieregularnego ruchu – nawet w przypadku bardzo powoli i – w cieczy z uwagi na ruch cząsteczkowej cieczy; jeśli nie mogą opuszczać objętość V * od strefy, będą wywierały nacisk na strefy, tak jak cząsteczki w roztworze. “[3]. (partycja jest membrana półprzepuszczalna).

Enrico Fermi, jednym z czynników przyczyniających się do rozwoju teorii kwantów i do fizyki jądrowej, a który również zbudował pierwszy reaktor jądrowy, napisał książkę zatytułowaną “Termodynamika”.Książka zdobyła pochwały za swoją głębią myśli i jasności prezentacji, i wydaje się, że bardzo niewielu ją przeczytać. Oto krótki akapit z dyskusji osmozy: “Wtedy presja na stronie membrany skierowaną rozwiązanie zostanie zwiększona o wpływie przeciwko nim cząsteczek rozpuszczonych substancji,” [4].

Cytaty mówią same za siebie.Autor tych stron uważa, że ciśnienie osmotyczne jest niezbędna do utrzymania równowagi pędu na rozwiązanie. To jest mniej więcej to, co mówią, Einsteina i Fermiego.

Czemu cząsteczki wody mogą przenikać przez membranę półprzepuszczalną?Pisarz spojrzał na wyjaśnienia, ale nie znaleźliśmy żadnych. Zakłada on, że membrana zawiera witryny hydrofilowych, które przyciągają wodę i cząsteczki wody hop z miejsca na miejsce, a w ten sposób przechodzą przez membranę.

Podsumowując rozważania na temat znaczenia nauki, i na naukę i na świecie, może pochodzić od “wielkiego wybuchu”, a od “boga cząstki”, a także z zakresie kanalizacji.

Comments are closed.