Сила поверхностного натяжения
На межфазной поверхности жидкости существует тонкий слой, в котором возникает напряжение, т.к. молекулы жидкости, находящиеся на поверхности, сильнее притягиваются молекулами внутренних слоев, чем молекулами другой фазы на межфазной поверхности. Действие сил поверхностного натяжения проявляется в стремлении жидкости уменьшить свою поверхность. На создание новой поверхности F необходимо затратить некоторую работу А. Величина работы А, которую нужно затратить для образования единицы новой поверхности жидкости при постоянной температуре, называется коэффициентом поверхностного натяжения:
(1.6)
Вследствие поверхностного натяжения на любой искривленной межфазной поверхности жидкости возникает давление. Величина этого давления определяется формулой Лапласа:
(1.7)
где R- радиус кривизны поверхности 
и 
.
Массовые силы.
Массовые силы действуют на каждую частицу данного объема жидкости. К ним относятся: сила тяжести, центробежная сила, сила инерции и сила Кориолиса.
Сила тяжести: 
,
Сила центробежная: 
,
Сила инерции: 
,
Сила Кориолиса: 
m- масса,
g- ускорение силы тяжести.
- угловая скорость вращения,
ускорение.
r – радиус вращения.
относительная скорость.
Теоретические основы П.Х.Т.
Основы теории переноса.
|
|
|
Основные понятия.
Теоретическим фундаментом науки о процессах и аппаратах химической технологии являются следующие законы природы:
- законы сохранения массы, энергии и импульса;
- законы термодинамического равновесия;
- законы переноса массы, энергии и импульса;
- законы химической кинетики.
Множество всех материальных объектов условно разбивают на систему и окружающую среду. Система (целое, составленное из частей) – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство.
Система, полностью лишенная возможности взаимодействовать с окружающей средой, называется изолированной. Система, которая обменивается с окружающей средой веществом и энергией, называется открытой.
Все физические величины, используемые для количественной характеристикисистемы, называются ее свойствами (параметрами).
Свойства системы, являющиеся суммой соответствующих свойств подсистем, называются экстенсивными (или аддитивными). Это масса, энтропия, теплота, энергия, количество движения (импульс), объем, электрический заряд и.т.д.
Свойства системы, не являющиеся суммой соответствующих свойств подсистем, называются интенсивными (неаддитивными). Это температура, давление и химический потенциал.
|
|
|
Различают три фазы: твердую, жидкую и газообразную.
Любой экстенсивный параметр системы является субстанцией.
Каждая система по своему составу м.б. либо гомогенной системой или фазой, либо гетерогенной системой.
Гомогенной фазой называется вещество, физические и химические свойства которого во всех частях его объема одинаковы. Составляющие гомогенной системы перемешаны на молекулярном уровне. Например, смеси газов, жидкие и твердые растворы.
Фаза имеет четкую границу раздела, называемую межфазной поверхностью, отделяющую ее от других фаз. На межфазной поверхности происходит скачкообразное системы состоят из нескольких фаз, каждая из которых отделена от другой фазы межфазной поверхностью.
Гетерогенные двухфазные системы, которые распространены в химической технологии, состоят из фазы, преобладающей в системе по объему, и называемой дисперсионной средой, и фазы, присутствующей в меньшем количестве и называемой дисперсной фазой.
2.1.2 Механизмы переноса субстанций.
Можно выделить три механизма переноса субстанций: молекулярный, конвективный и турбулентный.
|
|
|
Молекулярный механизм.
Молекулярный механизм переноса субстанции обусловлен тепловым движением молекул, взаимодействие между молекулами грубо можно представить как “жесткое” отталкивание на малых расстояниях между их центрами 
и “мягкое”
притяжение на больших. На рис.2.1 представлено изменение 
- потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия в зависимости от 
.
Сила взаимодействия 
до 
отрицательна (отталкивание) и при 
положительна (притяжение). Кинетическая энергия молекул связана с температурой системы:
(2.1.)
Здесь 
средняя скорость молекул; 
масса молекул.
Например, для кислорода при 
.
 |
 |
В газах молекулы движутся хаотически, без взаимодействия друг с другом (свободный пробег). При понижении температуры системы уменьшается кинетическая энергия. Они теряют возможность преодолевать силы межмолекулярного взаимодействия и система, конденсируясь, переходит из газового состояния в жидкое. Возрастает роль межмолекулярного взаимодействия. При дальнейшем понижении температуры система переходит в кристаллическое состояние - образуется структура кристаллической решетки. Преобладающим является тепловое движение молекул внутри ячейки.
|
|
|
Молекула, перемещаясь из одной точки пространства в другую, переносит все три вида субстанции – массу, импульс и энергию. В условиях равновесия макроскопический перенос субстанций не наблюдается, так как перенос молекул в любом направлении равновероятен. В отсутствии равновесия появляется межмолекулярный перенос масел в направлении от больших значений концентрации к меньшим, импульса - от больших значений скоростей к меньшим, энергии – от больших температур к меньшим.
Перенос массы осуществляется только за счет поступательного переноса, т.е. за счет непосредственного перемещения из одной точки пространства в другую.
Перенос импульса и энергии происходит как за счет поступательного переноса, так и за счет взаимодействия молекул (модель – сталкивание твердых шаров). При сталкивании молекул происходит изменение их скоростей, что приводит к так называемому столкновительному переносу импульса и энергии.В газах перенос импульса и энергии, в основном, за счет поступательного переноса, а в жидкостях, в основном, за счет столкновения молекул.
Конвективный механизм.
Конвективный механизм переноса субстанции обусловлен движением макроскопических объемов среды как целого. Макроскопические величины могут задаваться в каждой точке пространства путем усреднения микроскопических величин.
Движение макроскопических объемов среды приводит к переносу массы 
(плотность равна массе в единице объема), импульса 
(импульс единичного объема) и энергии 
(энергия единичного объема).
Различают свободную и вынужденную конвекцию. Свободная конвекция – за счет силы тяжести, вынужденная вызывается искусственно, с использованием насосов, компрессорных машин, перемешиванием и.т.д.
Для промышленного аппарата легко принимать 
, t ~ 1c.
Турбулентный механизм.
Турбулентный механизм переноса субстанций занимает промежуточное место между молекулярным и конвективным механизмами с точки зрения пространственно – временного масштаба. Турбулентный механизм переноса субстанции обусловлен развитием нерегулярного, хаотического движения отдельных объемов (макрочастиц) из-за вихревых пульсаций на удалении от границы раздела фаз или стенки. Размер вихрей определяет масштаб турбулентности. Турбулентный механизм переноса реализуется на фоне конвективного.
Для описания турбулентности используется временное осреднение физических величин (скорости, температуры, концентрации) на интервалах, значительно превышающих характерные периоды пульсаций (рис.2.2.).
 |
t
t1 t2
рис.2.2.
, (2.2)
тогда скорость вихря: 
(2.3.)
Здесь 
скорость пульсации.
Интенсивность турбулентности определяется как:
(2.4.)
Турбулентные вихри осуществляют перенос субстанции. Отличие от молекулярного механизма заключается в масштабе вихрей и отсутствие столкновительного переноса субстанций, т.к. при столкновении вихрей происходит их смещение, а не упругое взаимодействие.
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 279; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!