ПРЕДИСЛОВИЕ

Весьма обобщенно, задача химика – синтезировать вещества с полезными свойствами, или, как звучит более целеустремленно, синтезировать полезные свойства веществ, действуя в тех рамках, которые предопределены законами строения материи. Задача химика-технолога, столь же обобщенно, – создать эффективные способы массового производства полезных продуктов. Наука химическая технология или область практической деятельности по использованию результатов науки химии? Ответ на этот вопрос зависит от того, как мы расшифровываем термин "эффективный способ", от принятых критериев эффективности. Если на первый план выдвигаются экономические критерии, такие как себестоимость произведенного продукта или прибыльность производства, то технология есть область предпринимательства в сфере реализации научных знаний. Если же за критерии брать натуральные показатели, такие как расходы сырья и энергии на получение единичного количества продукта и интенсивность процессов (скорость трансформации вещества и энергии в единичном объеме аппаратуры), то задачи, стоящие перед технологом, представляются как сугубо научные: создать (вполне уместен термин – "синтезировать") такие системы, в которых единичное количество продукта производится из минимального количества сырья, при минимальном потреблении энергии и при максимальной скорости процесса. При этом, как и в синтезе вещества, синтезирующий схему производства технолог действует в рамках, предопределенных фундаментальными законами природы. И в этом смысле химическая технология есть часть науки, естественное продолжение или расширение химии, но с опорой в равной степени и на макроскопическую физику и механику.

Вышесказанное объясняет, почему университетский курс химической технологии начинается с обсуждения показателей эффективности технологических процессов. Основное внимание в предлагаемом руководстве уделяется наиболее "наукоемким" критериям, характеризующим степень термодинамического совершенства технологических систем. Выделение этого вопроса продиктовано тем значением для устойчивого развития цивилизации, которое приобретают в современную эпоху проблемы ресурсо- и энергосбережения и снижения антропогенного воздействия на окружающую среду. Выпускниками университета вопросы ресурсо- и энергосбережения должны пониматься не на общегражданском уровне контроля за показаниями счетчиков воды, газа и электричества, а на фундаментальном уровне второго начала термодинамики, уровне управления процессами генерации энтропии.

Содержание этой части курса неизбежно пересекается с содержанием предшествующего курса физической химии – с его разделом "Химическая термодинамика". В приложении к проблемам химической технологии положения термодинамики предстают перед изучающим предмет в новых "одеждах", а именно, в "потоковом" выражении. Уравнения термодинамики характеризуют теперь изменение состояния не статичной порции вещества, а потока вещества, проходящего через технологическую систему. Аналогичным образом вместо количеств энергии, теплоты или работы, воспринимаемых (отдаваемых) порцией вещества, в термодинамическую модель технологической системы входят потоки теплоты и работы и скорости возникновения энтропии в системе.

Как раз в приложении к задачам технологии такие ключевые абстрактные понятия термодинамики как полезная работа системы и максимальная работа системы приобретают совершенно конкретное и ясное содержание. Таким же конкретным и ясным содержанием наполняется понятие скорости возникновения энтропии. Центральное уравнение термодинамики неравновесных процессов, выражающее скорость роста энтропии как сумму произведений потоков и движущих сил, позволяет вовлечь весь арсенал макроскопической механики, физики и химии в дело разработки термодинамически более совершенных технологических систем.

Настоящее пособие является первым в серии учебных пособий под общим названием "Избранные главы химической технологии", подготавливаемых кафедрой химической технологии химического факультета Московского университета в соответствии с программой курса "Химическая технология", читаемого студентам факультета. Следующий выпуск "Базовые математические модели химико-технологических процессов" будет посвящен конструктивным моделям типовых химико-технологических процессов, без которых невозможны количественный анализ факторов, определяющих макрокинетику процессов, и разработка приемлемых с позиций энергосбережения путей их интенсификации. В совокупности эти два выпуска образуют методологическую базу для последующего рассмотрения принципов схемных решений в химической технологии на примере представительных групп химических производств, роли конструкционных и функциональных материалов в химической технологии и общих тенденций развития технологии в связи с глобальными экологическими проблемами. Материал выпусков не предусматривает полного перекрывания "живого" лекционного курса и предназначен для углубленного изучения ключевых вопросов.

Раздел 2.2 (2.2.1., 2.2.2, 2.2.3)(Производство энтропии в модельных неравновесных системах) в настоящем выпуске - вспомогательный раздел, содержание которого читателю может быть частично знакомо по курсу физической химии, но которые изложены в едином ключе с основным материалом. Изложение всех вопросов дается в достаточно детализированной форме, чтобы у читателя при первоначальном изучении предмета не было необходимости обращаться к другим источникам.

В пособии принята терминология, рекомендованная Комитетом научно-технической терминологии АН СССР, (Термодинамика, Сб. определений, Вып. 103, Изд-во "Наука", М. 1984) и обозначения, рекомендованные (Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, 2nd Edition, IUPAC, 1993). Исключение составляет определение знака работы.

По определению IUРАС поток любого экстенсивного свойства (объема, массы, энергии и др.) считается положительным, если он увеличивает количество данного свойства в системе. Аналогичным образом, по знаку изменения энергии системы, рекомендуется определять знак теплоты и работы, что приводит к записи первого закона термодинамики .

Вопрос этот не кажется второстепенным. Труд человека на протяжении веков выражался и в значительной мере продолжает выражаться в совершении работы по целенаправленному перемещению материальных объектов – от грузов на транспорте до электронов в электрических сетях. На создание систем, производящих работу с помощью внешних источников энергии, постоянно было направлено творчество человека. В этом суть техники, технологии. Работа не поступает самопроизвольно из окружающей среды. Поэтому знак работы разумнее определять так же, как знак любой функции источника: рождение (производство) наиболее квалифицированной формы энергии в системе следует считать положительной величиной, а ее исчезновение (потребление) – отрицательной величиной, т.е. , как это было принято в классической термодинамике.