Поверхностное натяжение, капиллярность и испарение

Мембранная технология

Мембрана, как органическая, так и неоргани­ческая, представляет собой пленку или пластину, отделяющую объект от внешней среды и обеспечивающую избирательное проник­новение вещества и энергии во внутренние структуры. Этим обес­печивается очистка от вредных веществ, загрязнений, а кроме то­го, и выделение продуктов реакций в окружающую среду.

В мембранной технологии используется явление осмоса, возникающее при разделении полупрозрачной мембраной раствора и чистого растворителя. Полупрозрачность мембраны заключается в том, что она пропускает малые по размеру молекулы раствори­теля, но не пропускает более крупные молекулы растворенного вещества. Осмос происходит от чистого растворителя к раствору: наблюдается так называемая односторонняя диффузия растворителя.

Существуют химические, ядерные, биологические и механи­ческие мембраны. Первые двавида очень широко применяются в мембранной технологии.

Напряженное состояние поверхностного слоя жидкости, вызванное силами сцепления между молекулами этого слоя, называется поверхностным натяжением.

Сила поверхностного натяжения определяется по формуле

F= a l,

где a – коэффициент поверхностного натяжения; l – длина контура, ограничивающего поверхность жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости имеет порядок 10^-2–10^-1 Н/м (для воды – 0,07, для спирта – 0,02).

Явление поднятия или опускания уровня жидкости в узких труб­ках (капиллярах), в связи с действием дополнительного давления

Р = ,

где a – коэффициент поверхностного натяжения, а R – ра­диус кривизны трубки, обусловленное искривленной поверхностью, называется капиллярностью.

Процесс испарения состоит в том, что отдельные мо­лекулы, находящиеся вблизи поверхности жидкости и имеющие более высокую, чем средняя, кинетическую энергию, преодолевают силы притяжения молекул и выходят за пределы жидкости. На испарение массы m жидкости при постоянной температуре затрачивается количество теплоты

Q_n = m l,

где l – удельная теплота испарения. Для: воды при 0°С l = 2,5 10⁶ Дж/кг. При конденсации пара такое же количество теп­лоты выделяется.

Быстро испаряющиеся жидкости (аммиак, этиловый эфир, хло­ристый этил и т.д.) называются летучими. На этом принципе рабо­тает бытовой холодильник. Принципиальная схема, холодильного аг­регата представлена на рис. 3.9. В испарителе происходит испарение хладоагента. Рабочей жидкостью (хладоагентом) является фреон. Его формула CCl₂F₂ . Под действием компрессора пары фреона поступают из испарителя в цилиндр компрессора, и сжи­маются адиабатически до дав­ления в несколько атмосфер и нагреваются до температуры 30-40°С. Сжатый пар поступает в конденсатор, проходя через который сжатый пар охлаждается до комнатной температуры и сжижается. Жидкость снова поступает в испаритель, и рабочий цикл холодильника повторяется.

Цикл испарение – конденсация поддерживается с помощью компрессора, наработу которого затрачивается энергия, потребляемая из сети его двигателем (электромотором).

испаритель

клапан

конденсатор

компрессор

 

Схема холодильника