A program segítségével TERMODINAMIKAI KÍSÉRLETEKET végezhetünk. A rendelkezésünkre áll egy edény, amelybe egy vagy két anyagot tölthetünk. Ezek az anyagok a SOPE anyagkönyvtárából választhatók ki (l. 5. rész). Ezenkívül be lehet állítani a hômérsékletet és állandó szinten lehet tartani a térfogatot vagy be lehet állítani a nyomást a dugattyúra rakott súlyok segítségével. Ezután megvizsgálhatjuk a fázisegyensúlyt és ennek a változását, ha változtatjuk az összetételt, a hômérsékletet vagy a nyomást.
Bármit is akarunk, EGYETLEN GOMB megnyomásával megtehetjük.
Az EGYETLEN lehetôség a paraméterek megváltoztatására a FELFELE és a LEFELE MUTATÓ NYÍL használata.
A kiválasztott paraméter ennek megfelelôen növekszik (felfele mutató nyíl) vagy csökken (lefele mutató nyíl) a képernyô ALSÓ SORÁBAN lévô mennyiséggel.
A program elindításakor a képernyôn feltûnik a kísérleti berendezésünk. Ez áll egy tartályból, amelyben egy mozgatható dugattyú helyezkedik el, egy nyomásmérôbôl, egy hômérôbôl és két másik, "mólmérôvel" ellátott tartályból, amelyekben a két felhasználható anyagot tarthatjuk.
A tartály bal oldalán lévô bar-ban mérô NYOMÁSMÉRÔ egy, a mérô közepén álló számból, valamint egy kör alakú skálából és egy mutatóból áll. A középsô szám a száz barokat mutatja. Pl. ha a mutató a skálán 75-öt mutat és a középsô szám 2, akkor a nyomás 275 bar (kb. 275 atmoszféra). Vegyük figyelembe, hogy a tartályt max. 850 barra tervezték!
A HÔMÉRÔ Kelvinben mér. Ebbôl Celsiust 273 fok levonásával kaphatunk.
A két tartály alatti MÓLMÉRÔK a tartályokban levô anyagmennyiséget mutatják, millimólokban.
KÉTFÉLE kísérletet végezhetünk: meghatározott hômérsékleten és nyomáson VAGY meghatározott hômérsékleten és térfogaton mérhetünk. A nyomás a dugattyúra rakott súlyokkal változtatható. A tartály össztérfogata nem változtatható, de a dugattyú rögzítésével rögzíthetjük a térfogatot.
A szimulációkat TISZTA anyagokon vagy KÉTKOMPONENSÛ KEVERÉKEKEN végezhetjük el - több anyag közül választva.
Valódi kísérleteket SZIMULÁLUNK, ÁLLAPOTEGYENLETEK használatával. A program lehetôséget ad arra, hogy a szimulációkhoz különbözô állapotegyenleteket használjunk. A legegyszerûbb, de igen pontatlan, a jól ismert ideális gáztörvény. A választék követi az idôbeli fejlôdést, egészen a ma legmodernebbnek tartott "CUBIC-4G" egyenletig. További információ található a 6. részben.
A következô billentyûket használhatjuk:
| t | hômérséklet-változtatás |
| w | a dugattyún lévô tömeg változtatása |
| n | a tartályban lévô molekulák számának változtatása |
| v | állandó/változtatható cellatérfogat a dugattyú jelen helyzetében való rögzítésével/elengedésével |
| c | más komponens(ek) választása a menübôl |
| d | a termodinamikai állapot jellemzôit mutató digitális képernyô be/kikapcsolása |
| r | a berendezés javítása (hasznos lehet, ha netán felrobbantottuk a tartályt) |
| h | vethetünk egy gyors pillantást a legfontosabb funkcióbillentyûkre |
| i | átfogóbb információk a programról |
| k | a bináris kölcsönhatási együttható megadása/megváltoztatása |
| 1 | kísérlet egy komponenssel |
| 2 | kísérlet két komponenssel |
| + | a jelenleg kiválasztott paraméter lépésközének növelése |
| – | a jelenleg kiválasztott paraméter lépésközének csökkentése |
| A lépésközök a képernyô legalsó sorában láthatók. | |
| Felfele mutató nyíl | a kiválasztott paraméter növelése |
| Lefele mutató nyíl | a kiválasztott paraméter csökkentése |
| Jobbra mutató nyíl | más paraméter választása (a jelenlegi paraméterrel egy sorban, tôle jobbra levôé) |
| Balra mutató nyíl | más paraméter választása (a jelenlegi paraméterrel egy sorban, tôle balra levôé) |
| Esc | Az ESCAPE billentyû megnyomásának csak akkor van hatása, ha a menü vagy a súgó (HELP) van a képernyôn. Mindig abba az állapotba visz vissza, ahonnan a menüt vagy a súgót kértük. |
| q | kilépés a SOPE-bôl |
Ha megnyomjuk a "d" betût, a képernyô felsô részén megjelenô számok az aktuális fázisegyensúlyról nyújtanak információt. Pl. az ekkor feltûnô panel 40 millimól metán és 40 millimól bután esetén így néz ki:
| Temp. : 10.0 C | Phase : vapour-liquid | EoS : CUBIC-4G |
| Pres. : 34.96 bar | ||
| Vol. : 22.54 cc | MolarVol : 582.5 cc/mól (80.8 %) | CH4 : 92.7 % |
| Num. : 80 millimól | 88.7 cc/mól (19.2 %) | CH4 : 22.6 % |
Ennek a jelentése a következô: A hômérséklet (Temp.) a tartályban 10 Celsius fok. A jelenlegi fázis (Phase) egyensúlyban levô gôz és folyadék. Más lehetôségek: gáz, gôz, sûrû gáz és folyadék (ezek egyfázisú rendszerek). A nyomás (Pres.) a tartályban 34.96 bar. A tartály térfogata (Vol.) 22.54 köbcentiméter. A cellában levô molekulák mennyisége (Num.) 80 millimól. Két moláris térfogat (MolarVol.) látható a képernyôn: a gôzfázisé (582.5 köbcentiméter-mól) a felsô sorban, és a folyadékfázisé (88.7 köbcentiméter-mól) az alsó sorban.
Ugyancsak leolvasható, hogy a gôz tölti ki a teljes térfogat 80.8%-át, és az ebben a fázisban levô molekulák 92.7%-a metán (CH4), míg a folyadékfázisban csak a molekulák 22.6%-a metán. A teljes térfogat 19.2%-a van folyadékkal kitöltve (100–80.8).
A fázisegyensúlyt a CUBIC-4G állapotegyenlettel (EoS) számolták ki. Amennyiben a k12 bináris kölcsönhatási együttható értékét nullától különbözônek választjuk, úgy ez az érték is feltûnik az EoS után.
A SOPE az alábbi 27 anyag közül nyújt választási lehetôséget.
| SZERVETLEN VEGYÜLETEK | SZÉNHIDROGÉNEK | |
| TELÍTETT | TELÍTETLEN | |
| hidrogén H2 | metán CH4 | etilén C2H4 |
| nitrogén N2 | etán C2H6 | propilén C3H6 |
| szén-dioxid CO2 | propán C3H8 | 1-butén C4H8 |
| kén-hidrogén H2S | n-bután C4H10 | benzol C6H6 |
| argon Ar | n-oktán C8H18 | toluol C7H8 |
| oxigén O2 | i-bután C4H10 | ciklohexán C6H12 |
| szén-monoxid CO | i-pentán C5H12 | acetilén C2H2 |
| n-pentán C5H12 | propin C3H4 | |
| n-hexán C6H14 | propadién C3H4 | |
| n-heptán C7H16 | ||
| n-dekán C10H22 | ||
A tartályban levô fázisegyensúlyt egy állapotegyenlet segítségével számíthatjuk ki. A számítást a rendszer jellemzôinek minden változtatása után végrehajtja a program - azaz ha megváltoznak a komponensek, az anyagmennyiség (n), a hômérséklet (T), és - csak akkor, ha a térfogat (V) függô változó - a nyomás (p).
Az 1-es számú állapotegyenlet mellett - amely az ideális gáz állapotegyenlete, és csupán azért került be a programba, hogy a különbségek szemléletesebbek legyenek - az alábbi (térfogatban) köbös állapotegyenletek választhatók:
| 2 | Van der Waals (1873) | 3 | Redlich-Kwong (1949) |
| 4 | Soave-Redlich-Kwong (1972) | 5 | Peng-Robinson (1976) |
| 6 | CUBIC-4G (1988, egy általánosított négy
paraméteres formula, amelyet a KSLA-ban dolgoztak ki) |
||
Megjegyzés: Hacsak külön nem jelzik, az ezekhez az állapotegyenletekhez
tartozó keverési szabályokban NEM használnak
bináris kölcsönhatási együtthatókat.
A bináris kölcsönhatási együtthatók, k(1,2), amelyek az alábbi keverési szabályhoz szükségesek:
a(1,2) = SQRT[a(1,1)*a(2,2)] * [1-k(1,2)]
a "k" billentyû lenyomása után adhatók meg. Amennyiben új állapotegyenletet választunk, a k(1,2) értéke visszaáll nullára.
A SOPE-ban három elôre beépített példa van: földgáz-cseppfolyósítás, retrográd kondenzáció és a széndioxid fázistulajdonságai a kritikus pont körül.
Ezeket a példákat az F5, F6, ill. az F7 billentyûk megnyomásával nézhetjük meg.
Az alábbiakban a példák rövid leírása olvasható.
A földgáz-cseppfolyósítás a gázszállítás és -tárolás fontos eljárása. Azon alapszik, hogy a cseppfolyósított gáz térfogata (110 Kelvinen és 1 bar nyomáson) 1/600-ad része annak, mint amit azonos mennyiségû gáz foglalna el (295 Kelvinen és 1 bar nyomáson).
Az F5 billentyû lenyomására a SOPE bemutatja, hogyan történik ez a térfogatváltozás 9 millimól metán és 1 millimól etán elegyében. A kezdeti feltételek: 280 K és 4 bar.
=====> Csökkentsük a hômérsékletet 110 K-re!!
Azt a folyamatot, amelynek során egy gázáramban állandó hômérsékleten a nyomásesés hatására folyadék keletkezik, retrográd kondenzációnak nevezik. A jelenség, amelyet elôször Kuenen (1892) figyelt meg, a keverékek általános viselkedésének ellentéte.
Az F6 billentyû lenyomására a SOPE bemutatja, hogyan megy végbe ez a jelenség 27 millimól metán és 3 millimól n-bután keverékében. A kezdeti feltételek: 273 K és 130 bar.
=====> Csökkentsük a nyomást kb. 10 barra.
A tiszta anyagok kritikus állapota egy ponttal jelölhetô a (p,V,T) felületen, ahol a gôz és a folyadék fázis térfogata (vagy sûrûsége) egyenlôvé válik.
Az F6 billentyû lenyomására a SOPE bemutatja, hogyan viselkedik a kritikus állapot közelében a szén-dioxid. (Tc=304.2K, Pc=73.8 bar, Vc=94.2 köbcentiméter/mól).
A kezdeti feltételek: 30 Celsius (303.15 K) és 112 millimól anyag a 10.59 köbcentiméteres állandó térfogatú edényben (azaz V=94.6 köbcentiméter-mól). Ezen feltételek mellett a szén-dioxid a gôz-folyadék egyensúly állapotában van.
=====> Próbáljuk ki a következôket:
| i) | növeljük az anyagmennyiséget 130 millimólra : | FOLYADÉK |
| ii) | növeljük a hômérsékletet 32 oC-ra : | SÛRÛ GÁZ |
| iii) | csökkentsük az anyagmennyiséget 84 millimólra: | GÁZ |
| iv) | csökkentsük a hômérsékletet 30 oC-ra : | GÔZ |
| v) | növeljük az anyagmennyiséget 112 millimólra : | GÔZ-FOLYADÉK |