Století stará myšlenka fyzika Tetrodeho vysvětluje klíčové rovnice pro kapaliny a snižuje chybu na 4 %

Vědci z Korejského institutu stavebního inženýrství a stavebních technologií (KICT) vyvinuli novou kubickou stavovou rovnici (EOS), která poprvé poskytuje fyzikální zdůvodnění matematické struktury, na kterou se chemický a petrochemický průmysl spoléhá více než půl století.

Vědci z Korejského institutu stavebního inženýrství a stavebních technologií (KICT) vyvinuli novou kubickou stavovou rovnici (EOS), která poprvé poskytuje fyzikální zdůvodnění matematické struktury, na kterou se chemický a petrochemický průmysl spoléhá více než půl století. Tyto rovnice jsou klíčové pro návrh destilačních kolon, chladicích cyklů a zpracování zemního plynu, neboť předpovídají, jak se objem tekutiny mění s teplotou a tlakem. Od 70. let 20. století se široce používané kubické rovnice, jako jsou Soave–Redlich–Kwong (SRK) nebo Peng–Robinson (PR), zlepšovaly přijetím specifické kvadratické formy pro úpravu členu přitažlivé síly, avšak bez prvotního principu vysvětlujícího, proč tato struktura tak dobře funguje.

Dr. Jai-Yeop Lee z divize environmentálního výzkumu KICT vystopoval původ této struktury k málo známé myšlence holandského fyzika Huga Tetrodeho z roku 1913. Tetrode popsal tekutiny jako soubory vibrujících oscilátorů namísto volně se pohybujících částic. Začleněním Tetrodeho vibrační korekce prostřednictvím nového parametru „d“ studie ukazuje, že známá kvadratická struktura není náhodná. Naopak, jedná se o minimální formu, která současně splňuje tři základní fyzikální a matematické požadavky: správně se redukuje na zákon ideálního plynu při nízké hustotě, zůstává řešitelná jako kubická rovnice a zachovává dostatečnou flexibilitu pro reprodukci kritické stlačitelnosti každé látky.

Nová rovnice byla ověřena proti vysoce přesným referenčním datům (NIST REFPROP) pro 76 různých tekutin, od jednoduchých plynů, jako je argon a metan, až po silně interagující látky, jako je voda a amoniak. V plně prediktivním režimu, kdy se používají pouze základní kritické vlastnosti každé látky bez dodatečné empirické korekce „překladu objemu“, dosáhl nový model nejnižší průměrné chyby v objemu nasycené kapaliny, a to 4,0 %. To je výrazně lepší výsledek ve srovnání s 4,6 % pro VPT, 5,5 % pro PT, 7,2 % pro PR a 13,7 % pro SRK.

Parametr „d“ také prokázal jasný fyzikální význam. Jeho hodnoty silně korelovaly (R² ≈ 0,93) s empirickou konstantou používanou v rovnicích pro tlak par, jejíž teoretický základ byl dříve nejasný. Zároveň seskupil 76 tekutin do čtyř odlišných chemických rodin. Velikost tohoto nového korekčního členu „d“, škálovaná molekulární velikostí, se plynule zvyšuje od slabě interagujícího argonu k silně vodíkově vázané vodě, což naznačuje, že parametr odráží sílu molekulárních interakcí v každé tekutině. Tento model nabízí transparentnější základ pro výpočty návrhu procesů a zařízení v chemickém, petrochemickém a chladírenském průmyslu a má potenciální využití v modelování chemických procesů pro nízkouhlíkovou éru, včetně vodíkové energetiky, zachycování a využívání uhlíku a čistých amoniakových paliv.