Реферат Курсовая Конспект
И СЫПУЧИХ СРЕД - раздел Механика, МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ, ГАЗОВ Учебное Пособие ...
|
Учебное пособие
Научный редактор – проф., канд.техн.наук С.П.Бурмасов
Екатеринбург. 2011
УДК 001.1:669.16.013
ББК 34.314
Рецензенты:
Старший научный сотрудник Учреждения Российской академии наук «Института металлургии» Уральского отделения РАН, канд. техн. наук Заякин О.В.
Доцент кафедры «Литейное производство» ФГАОУ ВПО УРФУ, канд. техн. наук Вайс И.А.
Автор: С. А. Загайнов, Е. Ю. Лозовая
Загайнов С. А. МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ, ГАЗОВ И СЫПУЧИХ СРЕД: Учебное пособие / С. А. Загайнов, Е. Ю. Лозовая.- Екатеринбург: ФГАОУ ВПО УРФУ, 2011. 144 с.
ISBN
Предназначено для студентов специальности 150101 – Металлургия черных металлов, всех форм обучения.
Библиогр.назв.6. Табл. 4. Рис.56.
УДК 001.1:669.16.013
ББК 34.314
ISBN
Ó ФГАОУ ВПО УРФУ, 2011
ВВЕДЕНИЕ
Предмет механики жидкостей, газов и сыпучих сред – это наука об основных законах поведения жидкостей, газов и сыпучих сред.
Механика жидкости, газа и сыпучих сред представляет собой дисциплину, которая является частью механики сплошной среды. Рассматривая природу и закономерности движения газообразных, жидких и сыпучих веществ, механика жидкости, газа и сыпучих сред сформировалась в самостоятельный раздел теоретической механики в последнее время, объединив в себе достижения гидромеханики (гидравлики), газовой динамики и аэромеханики.
Для металлургов механика жидкости газов и сыпучих сред открывает законы и пути интенсификации процессов производства металлов. Достижения этой науки широко внедряются и в пирометаллургию и гидрометаллургию на всех стадиях подготовки шихты, выплавки металла, получения готовой продукции, решения экологических задач. Действительно, в условиях металлургических заводов, проектных и научно-исследовательских институтов черной и цветной металлургии инженеру приходится решать специфические задачи, связанные с конструированием, расчетом, исследованием и наладкой работы фурм доменных и других шахтных печей, продувочных фурм, используемых в процессах производства черных и цветных металлов; газогорелочных устройств низкого и высокого давлений; мазутных и газо-мазутных форсунок низкого и высокого давлений; дымовых и воздушных трасс всех видов печных агрегатов; дымососов, инжекторов и дымовых труб для нагревательных и плавильных печей; газосмесительных установок инжекционного типа; теплообменников регенеративного и рекуперативного типов; факельных процессов, совершающихся в печах; газоочистительных устройств, стоящих за плавильными и нагревательными печами, конверторами.
Предмет "Механика жидкости, газа и сыпучих сред" включает две части: механика жидкостей, газов и механика сыпучих веществ, которые тесно взаимосвязаны между собой.
В основе механики жидкости и газа лежит гидравлика как наука. Ее истоки теряются в глубине тысячелетий. И это не случайно, если иметь в виду ту роль, которую сыграло использование воды в жизни человека.
Рождение научной дисциплины гидравлики обычно связывают с именем Архимеда (287–212 гг. до н.э.). Закон его имени, приведенный в трактате "О плавающих телах" (250 г. до н.э.), не претерпел практически никаких уточнений и до сих пор является одним из основных законов гидростатики. В металлургии этот закон лежит в основе методики расчета дымовых труб, некоторых видов гидравлических сопротивлений.
Второе рождение гидравлики как науки обязано гениальному итальянскому ученому эпохи Возрождения Леонардо да Винчи (1452–1519 гг.). Проповедуя учение о том, что опыт и математика являются основанием всякой научной системы, он много сделал в борьбе против средневековой схоластики, совершил ряд очень важных открытий в самых разнообразных областях техники, физики. Его исследования по изучению принципов работы гидравлического пресса, принципов полета, истечению жидкости через отверстия, вопросов движения воды в каналах, через водосливы, no-существу, положили начало экспериментальной гидравлике. Поэтому справедливо признают Леонардо да Винчи основоположником механики жидкости.
В дальнейшем развитие гидравлики проходило с участием всемирно-известных ученых того времени. Голландский инженер, математик С. Стивен (1548–1620 гг.) сумел определить гидростатическое давление на плоскую фигуру и дать объяснение «гидростатического парадокса». Г. Галилей (1564–1642 гг.) показал, что гидравлическое сопротивление зависит от скорости и плотности жидкой среды; оно возрастает с увеличением этих параметров. В результате работ Б.Кастсли (1577–1644 гг.) гидравлика обогатилась принципом неразрывности. Широко известен вклад Б. Паскаля (1623–1662 гг.). Ему принадлежит формулировка закона, носящего его имя – давление на поверхности жидкости, произведенное внешними силами, передается в ней без изменения величины по всем направлениям. Гениальный английский ученый И. Ньютон (1642–1727 гг.) в своем главном труде «Математические начала натуральной философии» (1687 г.) не только обосновал свои законы механики, но и привел приближенное описание законов внутреннего трения, дал теоретический вывод квадратичного закона сопротивления при движении тел, установил закон динамического подобия. Законы внутреннего трения, подобия применяются и сегодня при исследовании теоретических и прикладных вопросов механики жидкости и газа во многих отраслях знаний, в том числе и в металлургии.
Теоретический фундамент современной механики жидкости построен в результате работ, выполненных академиками Российской академии наук Л. Эйлером (1707–1783 гг.) и Д. Бернулли (1700–1782 гг.). Перу первого принадлежит трактат «Общие принципы движения жидкости» (1755 г.), Д.Бернулли - «Гидродинамика» (1738 г.). Закон, которому присвоено его имя, устанавливал связь между давлением уровня и скоростью движения тяжелой жидкости при установившемся движении. Этот закон является фундаментальным в гидродинамике. Кстати, следует отметить, что термин гидродинамика впервые был введен Д. Бернулли.
В это же время появились работы гениального русского ученого – М. В. Ломоносова (1711–1765 гг.) «Рассуждения о твердости и жидкости тела» (1760 г.), «О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном» (1742 г.), в которых он, в частности, дал расчет естественной вентиляции шахт, предложил теорию тяги дымовой трубы. Им созданы метеорологические приборы, проект и модель летательного аппарата для исследования атмосферы. Этими работами великий ученый способствовал развитию механики газа.
В XIX в. были заложены основы учения о движении вязкой жидкости. В связи с этим следует отметить работы французских ученых Л.Навье (1785– 1836 гг.) и Г.Стокса (1819–1903 гг.), которые получили дифференциальное уравнение пространственного движения вязкой жидкости, носящее их имена. Уравнение Навье–Стокса и сегодня широко используется для решения многих теоретических и прикладных задач во всех областях техники, в том числе и металлургии.
Особая роль в формировании механики жидкости принадлежит английскому ученому Осборну Рейнольдсу (1842–1912 гг.). Им определены условия перехода ламинарного движения в турбулентное, много сделано для развития теории турбулентности, для установления принципов гидродинамического подобия, которые и в настоящее время применяются при гидро- и аэродинамическом моделировании различных устройств, включая и металлургические печи, элементы их оборудования – горелки, трубопроводы, теплообменники и др.
Вместе с гидромеханикой в XIX в. развивалась и газовая механика, фундамент которой был заложен еще работами И. Ньютона, П. Лапласа. Активная деятельность ученых и инженеров проявилась при решении задач, связанных с созданием паровых турбин и особенно в конце века, когда возрос интерес к задачам воздухоплавания. Общепризнанна роль Н. Е. Жуковского, которого по праву называют основателем теоретической, технической и экспериментальной аэродинамики. Он обосновал теорему о подъемной силе, создал теорию воздушного винта, изобрел серию теоретических профилей крыльев, построил аэродинамические лаборатории. Эти и другие работы не только подвели научную базу к анализу и расчету летательных аппаратов, но и оказали большое влияние на смежные области науки и техники – судостроение, вентиляцию и пр. Рядом с именем Н. Е. Жуковского следует поставить имя Д. И. Менделеева (1834– 1907 гг.), который своим трудом «О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании» (1880 г.) создал руководство для тех, кто занимался кораблестроением, воздухоплаванием и баллистикой, а также имя К. Э. Циолковского (1857– 1935 гг.), установившего основные формулы реактивного движения снаряда с переменной массой (первая работа по космической аэродинамике), создал, первую аэродинамическую трубу для определения сопротивления тел.
Гидродинамика, газовая динамика, аэродинамика, объединенные общим понятием механика жидкости и газа, бурно развиваются в последние десятилетия нашего времени, что в первую очередь определяется темпами научно-технического прогресса. Не претендуя на полноту анализа, отметим, что к тем традиционным проблемам, которые решались ранее, XX в. выдвинул новые. Это изучение сопротивления при сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях потока, это анализ вопросов движения разреженных газов, плазмы, движения сред, осложненных воздействием на них электрических, магнитных, акустических полей, развитием процессов тепло- и массообмена. Сюда же примыкают вопросы движения многокомпонентных сред, неустановившегося движения жидкости (газа), углубление представлений о турбулентности, о распространении затопленных струй и образования следа за движущимися телами и многие другие. Над решением этих проблем работали и продолжают работать академики Л. И. Седов, М. Д. Миллионщиков, В. В. Струминский, А. Н. Колмогоров, П. Я. Полубаринова-Кочина, С. Лейбензон, ученые Л. Г. Лойцянский, их многочисленные ученики у нас в России. За рубежом широко известны работы Г. Шлихтинга, Д. Б. Сполдинга, Дж. Батчелора и др. Для – математическое моделирование с помощью современных ЭВМ, постановка эксперимента на различных моделях и натурных образцах. Естественно, что продолжают совершенствоваться и сами методы исследования, как аналитические, так и экспериментальные.
Краткая историческая справка дает представление о развитии механики жидкости и газа как науки и ее некоторых направлений. Перечень подобных задач можно существенно продолжить, но уже из приведенного видно, что в настоящее время трудно представить себе грамотного инженера – металлурга без знаний хотя бы основ гидро- и газодинамики. Поэтому в металлургических вузах России почти для всех специализаций предусмотрены разделы механики жидкости, газов и сыпучих сред.
1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
1.1. Определение жидкости
Жидкости (в широком смысле слова) отличаются от твердых тел легкой подвижностью частиц. В то время как для изменения формы твердого тела к нему нужно приложить конечные, иногда очень большие, силы, изменение формы жидкости может происходить под действием даже самых малых сил (жидкость течет под действием собственного веса).
Жидкость, как и всякое физическое тело, имеет молекулярное строение, т.е. состоит из молекул, расстояние между которыми во много раз превосходит размеры самих молекул, т.е. жидкость, строго говоря, имеет прерывистую структуру. В технической гидромеханике при решении большинства задач принимают жидкость как сплошную (непрерывную) среду ввиду чрезвычайной малости не только самих молекул, но и расстояний между ними по сравнению с объемами, рассматриваемыми при изучении равновесия и движения жидкости.
Жидкости по своим механическим свойствам разделяются на два класса: малосжимаемые (капельные) и сжимаемые (газообразные). С позиции физики капельная жидкость значительно отличается от газа, с позиции механики жидкости различие между ними не так велико, и законы, справедливые для капельных жидкостей, могут быть приложены также и к газам, когда сжимаемостью последних можно пренебречь.
Капельные жидкости обладают вполне определенным объемом, который практически не изменяется под действием сил. Газы же, занимая все предоставленное им пространство, могут значительно изменять объем, сжимаясь и расширяясь под действием сил. Таким образом, капельные жидкости легко изменяют форму (в отличие от твердых тел), но с трудом изменяют объем, а газы легко изменяют как объем, так и форму. Основные свойства жидкостей, существенные при рассмотрении задач технической гидродинамики, – плотность, вязкость и поверхностное натяжение.
1.2. Плотность жидкости
Плотностью жидкости (r, кг/м3)называется ее масса (М, кг), заключенная в единице объема (V, м3)
. (1.1)
Плотность одна из основных физических характеристик расплава. Если жидкость неоднородна, то формула определяет лишь среднюю плотность жидкости. Для определения плотности в данной точке следует пользоваться формулой
(1.2)
где DM – изменение массы при изменении объема на величину DV.
Довольно часто, особенно при решении практических задач механики жидкостей и газов, используют представление о весе единицы объема g, определяя его как отношение веса вещества, заключенного в объеме, к величине этого объема, т.е.
.(1.3)
Вес жидкости, приходящийся на единицу объема, называется удельным весом (g, Н/м3).Плотность и удельный вес связаны между собой известным соотношением
g = r ∙ g , (1.4)
где g – ускорение свободного падения, м/с2.
Данные о плотности и удельном весе некоторых жидкостей и газов приведены в табл. 1.1.
Следует подчеркнуть, что плотность и вес единицы объема жидкостей и особенно газов существенно зависят от давления и температуры.
Рассмотрим зависимость от давления. Под воздействием давления жидкость меняет свой объем. Это свойство получило название сжимаемости.
Таблица 1.1
Характеристика плотностей капельных и газообразных жидкостей
№ п/п | Наименование жидкостей | r, кг/м3 | g, Н/м3 |
Вода | |||
Чугун | |||
Сталь | |||
Шлак | |||
Воздух | 1,205 | 11,821 | |
Оксид углерода | 1,183 | 11,605 |
Сжимаемость капельных жидкостей под действием давления характеризуется коэффициентом объемного сжатия, который представляет собой относительное изменение объема жидкости на единицу изменения давления
,(1.5)
где V – первоначальный объем жидкости, м3; DV – изменение этого объема при увеличении давления на величину DP. Коэффициент объемного сжатия имеет размерность [Па-1]. Знак "минус" в уравнении обусловлен тем, что положительному приращению давления соответствует отрицательное приращение (т.е. уменьшение) объема.
Для идеальных газов, т.е. газов разряженных настолько, что взаимодействие между его молекулами может не учитываться
. (1.6)
Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия называется модулем упругости Е (Па), рассчитывается по формуле
. (1.7)
Модуль упругости капельных жидкостей мало меняется при изменении температуры и давления, в среднем для воды значения Е = 2×109 Па.
Зависимость от температуры. Если приближенно считать, что плотность не зависит от давления, а определяется только температурой, то значение плотности для капельных жидкостей при данной температуре определяется по формуле . (1.8)
где r0, t0 – плотность и температура жидкости при нормальных условиях (нормальные условия: tо = 0 оС, Р = 101325 Па); bt – коэффициент температурного расширения.
Коэффициент температурного расширения bt, выражает относительное увеличение объема жидкости при увеличении температуры на 1 град
, (1.9)
где V – первоначальный объем жидкости, м3; DV – изменение этого объема при увеличении температуры на величину DТ.
Способность жидкости менять плотность (и удельный вес) при изменении температуры широко используется для создания естественной циркуляции в котлах, отопительных системах, для удаления продуктов сгорания.
В отличие от капельных жидкостей газы характеризуются значительной сжимаемостью и высокими значениями коэффициента температурного расширения. Зависимость плотности от давления и температуры устанавливается уравнением состояния.
Для идеальных газов справедливо уравнение Клапейрона
, (1.10)
где Р – абсолютное давление, Па; Rуд – удельная газовая постоянная, различная для разных газов, но не зависящая от температуры и давления (для воздуха Rуд = 287 Дж/кг.К); Т – абсолютная температура, К.
Поведение реальных газов в условиях, далеких от сжижения, незначительно отличается от поведения идеальных газов, и для них в широких пределах можно пользоваться уравнением состояния идеальных газов.
Плотность газа, при фактических температуре и давлении, можно определить по уравнению
, (1.11)
где r0, Р0, Т0 – плотность, давление и температура газа в стандартных условиях (для воздуха стандартные условия t0 = 293 К, Р0 = 101325 Па; r0 = 1,205 кг/м3).
Многофазные – это системы, состоящие из нескольких фаз. Иногда их называют гетерогенными системами. Все металлургические системы являются гетерогенными. Простейшим случаем многофазной системы являются двухфазные системы. Например: газ-твердые частицы (пневмотранспорт, пылеулавливание), газ-капли жидкости (распылители, газовые сушилки). Во всех этих примерах первая из указанных фаз (основная) условно называется непрерывной, вторая - дискретной.
Количество дискретной фазы в непрерывной определяется объемной концентрацией (b). Обычно за объемную концентрацию принимается отношение объема, занятого дискретной фазой, к общему объему многофазной системы.
. (1.12)
Среднюю плотность двухфазной системы можно представить в следующем виде
r = b ∙ r2 + (1 − b) ∙ r1 , (1.13)
где r2 и r1 – плотности соответственно дискретной и непрерывной фаз.
1.3. Вязкость жидкостей
Вязкостью называется свойство жидкостей оказывать сопротивление сдвигу. Вязкость – характеристика сил внутреннего трения. Все реальные жидкости обладают определенной вязкостью, которая проявляется в виде внутреннего трения при относительном перемещении смежных частиц жидкости. Наряду с легкоподвижными жидкостями (водой, воздухом) существуют очень вязкие жидкости, сопротивление которых сдвигу весьма значительно (глицерин, тяжелые масла и др.). Таким образом, вязкость характеризует степень текучести жидкости или подвижности ее частиц.
Вязкость или текучесть жидкостей, в том числе расплавленных металлов и шлаков является их важнейшим физическим свойством.Вязкость жидкости связана с ее структурой и определяется межчастичным взаимодействием, поэтому ее изучение, наряду с другими физико-химическими свойствами, позволяет оценить строение металлических и шлаковых расплавов, природу и силы взаимодействия между компонентами в сплавах, а также связь между твердым и жидким состоянием.
Вязкость шлаков и металлов в значительной мере определяет скорости различных физико-химических процессов, особенно диффузионные явления в расплавах. От значения вязкости зависит чистота получаемого металла: скорость удаления газов и неметаллических включений. Вязкость металла влияет на выбор режима разливки, определяет условия формирования слитка, заполняемость литейных форм. Существует связь между вязкостью жидкого металла и процессом его кристаллизации, а следовательно и свойствами твердого металла.
Пусть жидкость течет вдоль плоской стенки (рис.1.1), как это наблюдается при ламинарном течении.
Y,м
Рис. 1.1. Распределение скоростей при течении жидкости вдоль плоской стенки
u, м/с
Вследствие тормозящего влияния стенки слои жидкости будут двигаться с разными скоростями, значения которых возрастают по мере отдаления от стенки. Рассмотрим два слоя жидкости, двигающихся на расстоянии DU друг от друга. Слой А движется со скоростью u, а слой В со скоростью u + Du (за единицу времени). Величина Du является абсолютным сдвигом слоя А по слою В, а (Du/DU) есть градиент скорости (относительный сдвиг). Появляющееся при этом движении касательное напряжение (сила трения на единицу площади) обозначим буквой t[Н/м2]. Тогда аналогично явлению сдвига в твердых телах можно предположить зависимость между напряжением и деформацией, впервые установленной И.Ньютоном
, (1.14)
где t − напряжение сдвига, Н/м2; h − коэффициент динамической (абсолютной) вязкости, Па×с; du − изменение скорости; dY − изменение направляющей к нормали скорости.
Выражение (1.14) называется законом вязкости Ньютона. Жидкости, для которых справедлив закон трения Ньютона, называются ньютоновские.
Коэффициент динамической вязкости h (Па.с) для различных жидкостей, расплавленных металлов и шлаков имеет следующие значения:
Вода (25оС) …0,00089 Железо (1600оС) ….0,0045
Глицерин (20 оС) …1,499 Сталь (1600 оС) ….0,0050
Алюминий (700 оС)…0,00113 Шлак:
Медь (1300 оС) …0,0041 доменный (1500 оС)…..0,2-0,6
мартеновский (1600 оС)…0,02-0,04.
Аномальные жидкости – это такие жидкости, которые не подчиняются закону вязкости Ньютона (1.14). К этим жидкостям можно отнести, например, литой бетон, строительный раствор, нефтепродукты при температуре близкой к застыванию и др.
Чтобы привести такие жидкости к движению, необходимо приложить некоторое (иногда значительное) усилие. Движение аномальных жидкостей начинается только после того, как касательные напряжения в них достигнут некоторого предельного значения (так называемое начальное напряжение сдвига), при меньших касательных напряжениях эти жидкости не текут, а испытывают только упругие деформации, как твердые тела.
В аномальных жидкостях касательное напряжение определяется по формуле Бингема
, (1.15)
где t0 – начальное, предельное напряжение сдвига (для ньютоновских жидкостей равно нулю).
Таким образом, в аномальных жидкостях сила трения возникает еще в покоящихся, но уже стремящихся прийти в движение жидкостях.
Вязкость жидкостей в большей степени зависит от температуры, при этом вязкость капельных жидкостей при увеличении температуры уменьшается, а вязкость газов возрастает (например, с увеличением температуры от 0 до 100оС вязкость воды уменьшается почти в 7 раз).
Наряду с понятием абсолютной или динамической вязкости в гидравлике находит применение понятие коэффициента кинематической вязкости (n, м2/с), представляющей собой отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности. (1.16)
Коэффициент кинематической вязкости характеризует ускорение частиц под влиянием сил вязкости.
Для капельных жидкостей коэффициент кинематической вязкости практически не зависит от давления, а для газов с ростом давления падает. Зависимость от температуры аналогична зависимости коэффициента динамической вязкости.
Подсчет n смеси газов может быть осуществлен по формуле
, (1.17)
где V1, V2, Vn − объемное содержание компонентов газовой смеси (%); n1, n2,…, nп − их коэффициенты кинематической вязкости. Точное значение вязкости смеси газов или жидкостей может быть найдено только экспериментальным путем.
С понятием вязкости связано понятие сила внутреннего трения в жидкости (Fh) это величина прямо пропорциональна градиенту скорости (du / dY), площади трущихся слоев (S) и динамической вязкости
. (1.18)
1.4. Поверхностное натяжение жидкости
(или поверхностные явления в сталеплавильных процессах)
При производстве чугуна и стали поверхностные явления играют важную, а иногда и решающую роль. Поверхностные явления в жидких металлических и неметаллических расплавах, на границах раздела расплав-твердая фаза и высокодисперсных твердых телах имеют большое значение для многих технологических процессов черной и цветной металлургии, порошковой металлургии, полупроводниковой техники, технологии сварки, пайки и др. областей. Результаты исследований поверхностных явлений широко используются при решении теоретических вопросов жаропрочности, ползучести, спекания, пропитки, модифицирования и др.
Молекулы жидкости, расположенные у поверхности контакта с другой жидкостью, газом или твердым телом, находятся в условиях, отличных от условий молекул, находящихся внутри некоторого объема жидкости. Внутри объема молекулы окружены со всех сторон такими же молекулами, вблизи поверхности - лишь с одной стороны, поэтому энергия поверхностных молекул отличается от энергии молекул, находящихся в объеме жидкости, на некоторую величину, называемой межфазной поверхностной энергией (Э, Дж). Эта энергия пропорциональна площади поверхности раздела (S, м2)
Э = S × s, (1.19)
где s – коэффициент пропорциональности или коэффициент поверхностного натяжения (Н/м или Дж/м2), зависит от природы соприкасающихся сред.
Этот коэффициент можно представить в виде
, (1.20)
где R – сила поверхностного натяжения, Н; l – длина линии, ограничивающей поверхность раздела, м.
Выражение (1.20) характеризует свободную энергию единицы поверхности или удельную поверхность.
Поверхностное натяжение жидкости чувствительно к ее чистоте и температуре. При повышении температуры поверхностное натяжение уменьшается, а в критической точке перехода жидкости в пар обращается в нуль.
Величина коэффициента поверхностного натяжения (s) характеризует прочность межчастичных связей в жидкости, следовательно, с понятием «поверхностное натяжение» связаны следующие явления:
1. Работа когезии (Wк) – это изменение свободной энергии системы при разделении одной фазы
Wк = DF = (F + 2s) – F = 2s. (1.21)
2. Работа адгезии (WА) – это изменение свободной энергии системы при разделении двух фаз по границе раздела
WА = DF = (F + s1 + s2) – (F + s12) = s1 + s2 - s12. (1.22)
3. Адсорбция – это явление изменения концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с концентрацией вещества в объеме.
,(1.23)
где nSi , nVi – количество молей i-того компонента в поверхностном слое и объеме фазы; S – площадь поверхности раздела; CSi , CVi – концентрация i-того компонента в поверхностном (адсорбционном) слое и объеме фазы; dА – толщина адсорбционного слоя.
По силе взаимодействия различают физическую и химическую адсорбцию. Если частица в поверхностном слое при температуре меньше 250оС образует слабые реакции, то это физическая адсорбция. Если адсорбирующая частица образует устойчивые связи с соседними, то это химическая адсорбция.
4. Поверхностно-активные вещества.
В растворах силы взаимодействия между различными частицами не одинаковы. В связи с этим, слабовзаимодействующие частицы вытесняются на поверхность, что приводит к изменению величины поверхностного натяжения и явление это протекает самопроизвольно.
Вещества, вытесняемые на поверхность и снижающие поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными. Малое содержание поверхностно-активных веществ в объеме приводит к насыщению ими поверхностного слоя и соответствует положительной адсорбции.
Вещества, повышающие поверхностное натяжение жидкости, называют поверхностно-инактивными и соответствуют отрицательной адсорбции.
Для железа поверхностно-активными частицами являются сера и кислород – они связаны с окружающими слабо и выталкиваются в поверхностный слой. Концентрация серы и кислорода в поверхностном слое больше, чем в объеме примерно в 200-300 раз.
1.5. Явление смачивания
Поверхностное натяжение жидкостей влияет на явление смачивания.
Рассмотрим рис. 1.2 – схемы смачивания жидкостью твердой стенки сосуда. На границе раздела фаз между поверхностью жидкости и твердой стенкой образуется, так называемый краевой угол (q ), который зависит от природы соприкасающихся тел и не зависит от формы поверхности и от действующих сил тяжести. Если край жидкости приподнят, ее поверхность имеет вогнутую форму (рис. 1.2 а), и острый краевой угол. В этом случае жидкость смачивает твердую поверхность. Чем хуже смачивающая способность жидкости, тем больше краевой угол. Если q > 90o, то жидкость считается не смачивающей (рис. 1.2 б). При полном не смачивании (q = 180о) капли жидкости как бы поджимаются, стараясь уменьшить площадь контакта с твердой поверхностью.
| |||
.
Рассмотрим схему смачивания каплей подложки (рис. 1.3).
|
Если в точке касания провести касательные и величину поверхностного натяжения (s) представить в виде суммы сил, то при равновесии системы справедливо выражение, характеризующее закон Юнга
sт = sж · Соsq + sт - ж. (1.24)
Следовательно .(1.25)
Из выражения (1.25) следует, что если sт > sт - ж, то Сosq >0, и следовательно q < p /2, т.е. наблюдается хорошее смачивание поверхности. В противоположном случае Сosq <0, следовательно q > p/2, т.е. плохое смачивание поверхности
Из уравнения (1.22) известно, что работа адгезии WА = sт + sж – sт - ж,, следовательно WА – sж = sт – sт - ж и
.(1.26)
Определяя sж и Сosq экспериментальным путем, можно найти работу адгезии, характеризующую прочность сцепления между жидкостью и твердой поверхностью из выражения (1.26).
На основе лабораторных экспериментов установлено, что при температуре 1550оС железо плохо смачивает огнеупорные оксиды Al2O3 и MgO (q » 140о).
Добавка других элементов к железу вызывает снижение величины краевого угла смачивания. Особенно сильное влияние оказывают сера и кислород. Эти элементы хорошо растворяются в обеих фазах и снижают краевой угол q, т.е. улучшают смачивание.
От явления смачиваемости зависит поведение жидкости в тонких (капиллярных) трубках, погруженных в жидкость. При смачивании жидкость в трубке поднимается над уровнем свободной поверхности, при не смачивании опускается. Высота капиллярного поднятия (опускания) жидкости определяется
, (1.27)
где r − радиус капилляра, м.
Угол q между водой и стеклом практически равен нулю, если поверхность очень чистая. Влияние сил поверхностного натяжения приходится учитывать при работе с жидкостными приборами для измерения давления, при истечении жидкости из малых отверстий, при фильтрации и др.
1.6. Дисперсные системы
Любое вещество можно привести в состояние той или иной степени измельчения. Вещество, находящееся в состоянии измельчения, называется дисперсной фазой.
Среду, в которой находится дисперсная фаза, называют дисперсной средой.
В зависимости от степени измельчения меняется доля частиц на поверхности и, в связи с этим, доля поверхностных свойств вещества. При размере частиц 10-5−10-7 см поверхностные свойства веществ оказываются решающими.
По степени измельчения дисперсные фазы можно классифицировать следующим образом:
R > 10-5 см – грубое диспергирование;
10-5 > R > 10-7 см – коллоиды;
R < 10-7 см – молекулярное диспергирование.
По агрегатному состоянию различают следующие дисперсные системы (табл. 1.2).
В жидкой стали содержится большое число твердых, жидких и газообразных включений. Шлаковая пена может содержать до 90 % газовой фазы.
Таблица 1.2
Дисперсные системы
Дисперсная среда | Дисперсная фаза | Дисперсная система |
Жидкость | Твердая | Суспензии |
Жидкость | Жидкая | Эмульсии |
Жидкость | Газ | Газовые эмульсии (пены) |
Газ | Твердая | Дымы, пыли |
Газ | Жидкая | Туман |
1.7. Вспенивание, физические эффекты при вспенивании
Вспенивание шлака – не желательное технологическое осложнение. Во вспененном шлаке резко снижается скорость тепло- и массообменных процессов. Например, коэффициент теплопроводности для кипящих шлаков lэф = 116−232 Вт/м.град, то для вспененных шлаков lэф = 5−7 Вт/м.град.
Вспенивание шлака определяется изменением свободной энергии
DG = sш - г × SП S, (1.28)
где sш - г – поверхностное натяжение между фазами шлак-газ, Дж/м2; SSП – суммарная поверхность пузырей, м2.
Исчезновение пены связано со слиянием газовых пузырьков и их металлических оболочек. При оседании пены происходит большой выигрыш энергии. Однако слиянию пузырей препятствуют следующие физические эффекты:
1. Расклинивающий эффект связан с тем, что при вспенивании, поверхностные слои пены обогащаются, относительно крупными слабыми и поверхностно-активными ионами (SiO4-4; Si2O6-7; PO3-4 и др.). Поверхностно-активные ионы имеют одинаковый заряд и при сближении оболочек отталкиваются, препятствуя слиянию и этим стабилизируют пену.
2.Кинетический эффект связан с диффузией поверхностно-активных вещества (ПВ) в участки вновь образованной поверхности. Рассмотрим рост газового пузыря в объеме шлака (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Влияние кинетического эффекта на слияние двух пузырей
– Конец работы –
Эта тема принадлежит разделу:
высшего профессионального образования... Уральский федеральный университет имени первого... Президента России Б Н Ельцина...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: И СЫПУЧИХ СРЕД
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов