Вибро- поверхностнофильтрационная.

⇐ ПредыдущаяСтр 83 из 90Следующая ⇒

Создание дополнительной разности вибрационного потенциала DР_вб = Р_вб ” – Р_вб ’ позволяет сильно изменить количественную сторону всех эффектов, наблюдаемых в поверхностнофильтрационной паре. В частности, существенно возрастают все движущие силы пары, в том числе фиктивная Dр_с. Благодаря этому с помощью ультразвуковой вибрации удается резко сократить время пропитки древесины (шпалы, сваи и т.д.) составами, повышающими ее стойкость, ускорить процессы экстракции (извлечения) веществ из сырья, интенсифицировать обмен в растениях и т.д.

Термо-электрофильтрационная.

При наличии разности термического (DТ = Т ” – Т ’) и электрического (D j = j ” - j ’) потенциалов происходит алгебраическое суммирование эффектов, возникающих от каждой из этих разностей в отдельности. Справедливость правила аддитивности в данном случае следует из законов состояния и переноса, которые являются аддитивными законами.

Поверхностно-термо-диффузионнофильтрационная.

Пара с таким трудным названием возникает в металлургической отливке в период ее затвердевания. Капилляры образуются между растущими кристаллами. Жидкая фаза циркулирует под действием разностей поверхностного, термического и диффузионного потенциалов.

Этот эффект используется для поверхностного легирования отливки. Суть процесса легирования состоит в том, что на поверхность литейной формы наносится слой легирующей обмазки. В период затвердевания капилляры отливки и обмазки объединяются. Круговая циркуляция жидкой фазы насыщает поверхностный слой отливки нужным легирующим элементом.

Формула Лапласа.

Вид формулы.

Известная формула Лапласа

Dр = s [(1/r₁) + (1/r₂) ] н/м² (830)

определяет дополнительное давление, возникающее под искривленной поверхностью жидкости. В этой формуле s - коэффициент поверхностного натяжения, н/м; r₁ и r₂ - радиусы кривизны поверхности жидкости во взаимно перпендикулярных направлениях, м. Величина Dр определяет высоту поднятия (в случае смачивания) или опускания (при несмачивании) жидкости в капилляре.

Обсуждение формулы.

Выражение (830) основано на идее о существовании сил поверхностного натяжения. Согласно общей теории, формула (830) неполно и неточно отражает действительность.

Например, согласно формуле (830) величина Dр представляет собой фиктивную движущую силу Dр_с _¥ (определяется разностью уровней DН на рис. 46-а), предельное значение которой соответствует диаметру капилляра d £ x₀. Выше этого значения величина Dр не может быть.

Согласно теории поверхностнофильтрационной пары, влажность должна изменять условия испарения и конденсации жидкости на мениске. Это должно отражаться на величине Dр. Опыт подтверждает этот вывод.

Формула Стефана.

Вид формулы.

В 1882 г. Стефаном была выведена формула, с помощью которой определяется скорость испарения жидкости из капилляра. Формула выглядит следующим образом:

J_m = [(D mр_б)/(RТh)]ln[(р_б – р_с)/(р_б – р_п)] кг/(м²×сек), (831)

где D - коэффициент диффузии;

m - молекулярная масса;

р_б - общее (барометрическое) давление воздуха;

R - газовая постоянная;

Т – абсолютная температура;

h - расстояние от края капилляра до мениска жидкости в нем;

р_с - парциальное давление пара в окружающей среде;

р_п - парциальное давление пара у поверхности мениска жидкости.

Из формулы видно, что в данных конкретных условиях испарения удельный поток массы J_m обратно пропорционален высоте h заглубления мениска, т.е. в общем виде можно записать:

J_m = А/h кг/(м²×сек) (832)

или

1/J_m = Вh (м²×сек)/кг, (833)

где

А = 1/В = [(D mр_б)/(RТ)]ln[(р_б – р_с)/(р_б – р_п)]. (834)

Величина В, по Стефану, постоянна. Следовательно, обратный поток 1/J_m должен быть связан с высотой h уравнением прямой линии, проходящей через начало координат. Кроме того, из формулы (831) вытекает, что удельный поток J_m не зависит от диаметра капилляра.

Результаты экспериментов.

С целью проверки правильности формулы (831) были поставлены специальные опыты *. Результаты опытов приведены на рис. 47-51.

Опыты выполнены со стеклянными цилиндрическими капиллярами различных диаметров, помещенными в эксикаторы. Постоянными поддерживаются относительная влажность j, температура Т и давление р воздуха в эксикаторе. Относительная влажность устанавливается в пределах от 0 до 100% с помощью буферного раствора.

Рис. 47. Понижение уровня воды в капилляре со временем (j = 100%):

1 – диаметр капилляра d = 54 мкм; 2 – 69; 3 – 168; 4 – 450; 5 – 830;

6 – 1200; 7 – 1600.

Рис. 48. Зависимость скорости испарения от расстояния до мениска

(условия опытов и обозначения те же, что и на рис. 47).

Рис. 49. Влияние диаметра капилляра на начальную

скорость испарения воды (j = 100%).

Рис. 50. Зависимость обратного удельного потока массы

от заглубления мениска (j = 100%): 1 – диаметр капилляра

d = 1600 мкм; 2 – 1200; 3 – 830; 4 – 450; 5 – 168; 6 – 69; 7 – 54.

На рис. 47 представлены очень характерные кривые, соответствующие влажности j = 100%. Скорость понижения уровня воды в капилляре уменьшается с увеличением диаметра d и обращается в нуль, когда d становится равным диаметру ванны с буферным раствором (в данном случае водой).

О роли диаметра капилляра при испарении влаги можно судить по графику, изображенному на рис. 48. Из рис. 48 видно, что при любом данном заглублении мениска скорость испарения резко повышается с уменьшением диаметра d капилляра. Еще нагляднее эта зависимость представлена на рис. 49, где J_m0 есть скорость испарения, взятая для начального момента времени (t = 0, h = 0).

Рис. 51. Зависимость обратного удельного потока массы от заглубления

мениска (для кривых 1-4 влажность j = 100%, для кривой 5 - j = 0):

1 - d = 2,6 мм; 2 – 1,15; 3 –0,2; 4 – 0,12; 5 – для всех четырех диаметров.

Графики 50 и 51 характеризуют зависимость обратного потока массы от заглубления мениска для различных влажностей и диаметров капилляров. При j = 100% диаметр сильно сказывается на величине обратной скорости испарения, при j = 0 все диаметры дают практически одинаковую скорость испарения. Следует однако отметить, что в других сериях опытов при нулевой влажности наблюдалось заметное влияние диаметра на скорость испарения.

Обсуждение результатов.

Прежде всего отметим, что линейная зависимость (833) опытом не подтверждается. Из рис. 50 и 52 видно, что во всех случаях получается сложная кривая, даже отдаленно не напоминающая прямую линию. Она не проходит через начало координат, ибо для этого начальная скорость испарения должна быть равна бесконечности, что практически не реализуется.

Кроме того, из рисунков видно скорость испарения при относительной влажности окружающей среды j = 100% сильно зависит от диаметра d капилляра. С уменьшением d удельный поток J_m возрастает в десятки и сотни раз.

Таким образом, из экспериментов следует, что формула (831) неправильно отражает явление. Это объясняется тем, что физические посылки, положенные в основу ее вывода, не соответствуют действительным условиям испарения жидкости из капилляров. Фактические условия испарения определяются теорией термодинамической пары. В частности, не имеет физического смысла величина р_п, так как над поверхностью мениска происходит сложная циркуляция пара: он покидает пристеночную зону мениска (там давление пара выше) и конденсируется в осевой (где давление пара ниже). С уменьшением диаметра капилляра существенно возрастает относительная роль (площадь) пристеночной зоны мениска по сравнению с осевой. В результате с уменьшением d резко возрастает общая скорость испарения жидкости из капилляра, т.е. скорость переноса пара из капилляра на плоское зеркало ванны эксикатора. Если под насыщенным паром (j = 100%) понимать пар, находящийся над плоским зеркалом жидкости (парциальное давление этого пара обозначено через р_с), то над пристеночной поверхностью мениска жидкости в капилляре парциальное давление пара окажется много больше р_с.

Необходимо отметить, что явление термодинамической пары отражается не только на скорости испарения жидкости из капилляра, но также и на многих других характеристиках процесса. В частности, заметно изменяется (уменьшается) теплота парообразования.

Были поставлены специальные опыты, в которых сравниваются скорости испарения и температуры двух небольших объемов жидкости, заключенных в сосуде Дюара *. В одном сосуде жидкость испаряется со свободной плоской поверхности, во втором – из капилляров. Во всех опытах отмечено более интенсивное испарение жидкости (вода, бензол, спирт и т.д.) из капилляров по сравнению со свободной поверхностью, причем теплота парообразования оказалась меньше в первом случае, чем во втором. Во всех опытах суммарные площади испарения, температура и давление (применялся вакуум) окружающей среды были одинаковыми для обоих сосудов. В качестве капилляров использовались шотовские фильтры, вата и т.д.

Диффузионные пары.

Термодиффузионная.

Если соединить концами два родственных тела а и b, то под действием разности температур DТ = Т ” – Т ’ в замкнутой цепи (рис. 40) возникает круговая диффузия третьего вещества, играющего роль второго заряда.

Термодиффузионные явления широко применяются для разделения газов и т.д.

Электродиффузионная.

Циркуляцию (диффузию) третьего вещества под действием разности электрических потенциалов D j = j ” – j ’ можно наблюдать, например, в жидкостной паре, состоящей из воды (проводник а) и эфира (проводник b). Третье вещество краситель родамин С) вводится на поверхность раздела воды и эфира. О циркуляции судят по распространению фронта красителя. Чтобы отличить процесс электродиффузии от процесса обычной диффузии, сравнивают две пары, в одной из которых D j = 0.

Прочие пары.

Химикоэлектрическая.

В химикоэлектрической паре происходит круговая циркуляция электрического заряда под действием разности химических потенциалов D m = m ” - m ’. Для получения этой разности один или оба проводника а и b должны иметь неодинаковый химический состав по длине. По этому принципу работают гальванические элементы и электрические аккумуляторы.

Например, в простейшем гальваническом элементе, который состоит из цинковой и медной пластин, погруженных в серную кислоту, роль проводника а играют цинк (участок а ”) и медь (участок а ’), а роль проводника b - кислота. В элементе Даниэля проводник b содержит два участка: первый (b”) состоит из цинка, второй (b’) – из медного купороса. Похожее принципиальное устройство имеет элемент Лекланше [4, 5].

Прочие пары.

Различные тела природы располагают бесчисленным множеством степеней свободы. Это позволяет создавать самые разнообразные термодинамической пары и осуществлять с их помощью всевозможные процессы преобразования, сопровождаемые большим количеством эффектов, которые могут найти практическое применение. В настоящее время известны и используются лишь очень немногие пары и эффекты. Общая теория позволяет конструировать термодинамической пары с наперед заданными свойствами.

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 163; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 78 79 80 81 828384 85 86 87 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!