Понятие о многофазных системах
Поверхностное натяжение жидкостей
Поверхностное натяжение жидкости обусловливается силами взаимного притяжения молекул поверхностного слоя, стремящихся сократить свободную поверхность жидкости. Существование избытка свободной энергии на границе раздела фаз в поверхностном слое может быть доказано различными, способами. Так, среднее во времени значение равнодействующей сил взаимодействия молекулы в глубине жидкой фазы с окружающими молекулами равно нулю вследствие симметрии силового поля (рис. 1.3). На границе же раздела с газом силы взаимодействия поверхностных молекул с жидкой фазой больше, чем с газообразной, поэтому равнодействующая сил направлена нормально к поверхности в сторону жидкой фазы.
|
| |||||
| а | б | |||||
| Рис. 1.3. Появление избытка поверхностной энергии молекулы жидкости в объеме (а) по сравнению с положением той же молекулы на границе с газовой фазой (б) |
Вследствие поверхностного натяжения жидкость, имеющая криволинейную поверхность, испытывает дополнительное усилие, увеличивающее или уменьшающее давление жидкости на величину
, (1.12)
где — поверхностное натяжение, Н/м; r1, и r2 — главные радиусы кривизны рассматриваемого элемента поверхности, м. Приведенное выражение называют формулой Лапласа. Давление при выпуклой поверхности жидкости увеличивается, а при вогнутой — уменьшается.
При температуре 20 °С поверхностное натяжение воды, соприкасающейся с воздухом, σ = 0,0726 Н/м. Зависимость поверхностного натяжения от температуры имеет следующий вид:
, (1.13)
где σ0 — поверхностное натяжение при соприкосновении с воздухом при температуре 0°С [для воды σ0 = 0,076 Н/м; β = 0,00015 Н/(м °С)].
При температуре кипения жидкости поверхностное натяжение исчезает, поскольку исчезает и межфазная граница между жидкостью и паром.
Влияние поверхностного натяжения приходится учитывать при работе с жидкостными приборами для измерения давления, при истечении жидкости из малых отверстий, при фильтрации и образовании капель в свободных струях. Особенно сильно поверхностное натяжение проявляется в цилиндрических трубках малого диаметра (капиллярах), для которых формула Лапласа принимает вид
или , (1.14)
где r — радиус капиллярной трубки; hпов — высота капиллярного поднятия.
Жидкости, в которых нарушается основное их свойство — сплошность, называются многофазными (гетерогенными, полифазными) системами. В этих системах, как правило, можно выделить границы раздела, отделяющие одну непрерывную среду (фазу) от другой, причем при переходе через такие границы свойства жидкости меняются скачкообразно.
Простейшим случаем многофазной системы являются двухфазные системы. Примеры таких систем: газ — твердые частицы (пневмотранспорт, пылеулавливание); газ — капли жидкости (распылители, сушилки, газовое охлаждение, испарение); жидкость — пузырьки пара (испарители, эрлифты); жидкость — твердые частицы (гидротранспорт, осаждение).
Во всех этих примерах первая из указанных фаз (основная) условно называется непрерывной, вторая — дискретной. При некоторых условиях многофазные системы могут переходить в однородные (гомогенные) и наоборот. Например, в воде при обычных условиях находится растворенный воздух. При снижении давления и повышении температуры воздух начинает выделяться, образуя воздушные пузыри значительных размеров: наблюдается переход однофазной системы (вода) к двухфазной (вода + газ).
С образованием двухфазных систем связаны процессы фазовых переходов. Так, в воде при повышении давления и понижении температуры зарождаются кристаллы льда, т.е. образуется двухфазная система — вода + твердые частицы. Наоборот, при понижении давления жидкости до уровня так называемого давления насыщенного пара жидкость вскипает, образуя пузыри, заполненные насыщенными парами воды.
Количество дискретной фазы в непрерывной определяется объемной концентрацией. Обычно за объемную концентрацию принимается отношение объема, занятого дискретной фазой, к общему объему многофазной системы:
(1.18)
где W2 и W1 — объемы дискретной и непрерывной фаз в многофазной системе соответственно.
Среднюю плотность многофазной системы можно представить в следующем виде:
(1.19)
где ρ2 и ρ1 , — плотности соответственно дискретной и непрерывной фаз.