Явища переносу в рідинах

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Зміст:
Введення
Дифузія
Теплопровідність
В'язкість
Висновок
Список використаної літератури

Введення
Ми розглядали лише властивості газів і твердих тіл і не обговорювали властивості рідин. Рідкий стан значно складніше піддається теоретичної трактуванні в порівнянні з газовим і твердим. Це визначається тим, що стану (тверде і газове) є граничними для всякої речовини при досить низьких (або високих) температурах і досить високих (або низьких) тисках.
Рідкий стан є проміжним за своєю природою. Природно, що близько критичної точки рідина близька за властивостями до газу, а при температурі, близької до температури плавлення, - до твердого тіла.
Ця обставина призводить до відсутності "ідеальної моделі" рідини. Для газу такою є ідеальний газ, для твердого тіла - ідеальний кристал. І теорії реальних газів, і теорія твердих тіл будуються як опис відхилень від ідеальних станів. Відсутність ідеальної моделі рідини призводить до труднощів формулювання загальної теорії рідини.
Така теорія повинна пояснити рівноважні термодинамічні властивості рідини, її ентальпію, ентропію, рівняння стану, температуру замерзання, поверхневий натяг і т.п. Далі теорія повинна описати явища переносу - в'язкість, дифузію, теплопровідність. Нарешті, така теорія повинна охопити явища розсіювання рідинами різних випромінювань і перш за все рентгенівського. В останні роки теорія рідин досягла ряду серйозних успіхів.
Вимушене внутрішній рух в рідині.
Якщо на рідину протягом часу t>>  ср діє зовнішня сила, то частинки рідини зміщуються головним чином у напрямку цієї сили. У цьому виявляється плинність рідини.
Якщо час t дії зовнішньої сили багато менше середнього часу релаксації (t << ср), то за час дії сили частки не встигають змінити свої положення рівноваги і рідина проявляє пружні властивості, опираючись зміни об'єму і форми.
За певних умов у рідинах відбуваються явища переносу: дифузія, теплопровідність і внутрішнє тертя. Відмінності явищ переносу в рідинах від аналогічних явищ в газах проявляються у величинах коефіцієнтів переносу.

Дифузія
ДИФУЗІЯ (від латинського diffusio - поширення, розтікання, розсіювання), рух частинок середовища, що веде до перенесення речовини і вирівнювання концентрацій або встановленню їх рівноважного розподілу. Зазвичай дифузія визначається тепловим рухом частинок. За відсутності зовнішніх впливів дифузійний потік пропорційний градієнту концентрацій; коефіцієнт пропорційності називається коефіцієнтом дифузії. Процес дифузії може відбуватися під впливом різниці температур (термодифузії), електричного поля (електродіффузія), в турбулентному потоці (турбулентна дифузія) і т.д.).
Дифузія великих частинок, зважених в газі або рідини (наприклад, частинок диму або суспензії), здійснюється завдяки їх броунівського руху. Надалі, якщо спеціально не обумовлено, мається на увазі молекулярна дифузія.
Найбільш швидко дифузія відбувається в газах, повільніше в рідинах, ще повільніше у твердих тілах, що обумовлено характером теплового руху частинок в цих середовищах. Траєкторія руху кожної частинки газу являє собою ламану лінію, тому що при зіткненнях частинки змінюють напрямок і швидкість свого руху. Невпорядкованість руху призводить до того, що кожна частка поступово віддаляється від місця, де вона перебувала, причому її зміщення по прямій набагато менше шляху, пройденого по ламаній лінії. Тому дифузійне проникнення значно повільніше вільного руху (швидкість дифузійного поширення запахів, наприклад, багато менше швидкості молекул).
Для явища дифузії у рідині справедливий закон Фіка. Він говорить:

,
де I - дифузійний потік в напрямку осі X, D - коефіцієнт дифузії, а - Градієнт концентрації по осі X.
Позначимо час між стрибками молекул через t, тоді величина - Швидкості молекули. Це дає можливість порівняти з середньою довжиною вільного пробігу, а - Із середньою швидкістю молекул. Тоді за аналогією з ідеальними газами коефіцієнт дифузії (точніше самодифузії) рідини дорівнює:
.
Коефіцієнт самодифузії сильно залежить від температури, тобто з підвищенням температури він збільшується.
Вираз коефіцієнта дифузії можна переписати у вигляді
,
де , Причому n - частота вищеописаних коливань, а w - енергія, необхідна для стрибка молекули, звана енергією активації молекули.
Чисельне значення коефіцієнта дифузії у рідин багато менше ніж у газів. Наприклад коефіцієнт дифузії NaCl у воді дорівнює 1,1 · 10-9 м2 / с, у той час як для дифузії аргону в гелій він дорівнює 7.10 -5 м 2 / с.
У рідинах, відповідно до характеру теплового руху молекул, дифузія здійснюється перескока молекул з одного тимчасового положення рівноваги в інше. Кожен стрибок відбувається при повідомленні молекулі енергії, достатньої для розриву її зв'язків з сусідніми молекулами і переходу в оточення ін молекул (у нове енергетично вигідне положення). У середньому стрибок не перевищує міжмолекулярної відстані. Дифузійне рух частинок в рідині можна розглядати як рух з тертям, до нього можна застосувати другу співвідношення Ейнштейна: D ~ ukT. Тут k - Больцмана постійна, u - рухливість дифундують частинок, тобто коефіцієнт пропорційності між швидкістю частинки з і рушійною силою F при стаціонарному русі з тертям (з = uF). Якщо частинки сферично симетричні, то u = 1 / 6 phr, де h - коефіцієнт в'язкості рідини, r - радіус частинки (див. Стокса закон).
Коефіцієнт дифузії в рідини збільшується з температурою, що зумовлено «розпушенням» структури рідини при нагріванні та відповідним збільшенням числа перескоків в одиницю часу.
У твердому тілі можуть діяти кілька механізмів дифузії: обмін місцями атомів з вакансіями (незайнятими вузлами кристалічної решітки), переміщення атомів по міжвузля, одночасне циклічне переміщення кількох атомів, прямий обмін місцями двох сусідніх атомів і т.д. Перший механізм переважає, наприклад, при утворенні твердих розчинів заміщення, другий - твердих розчинів впровадження.
Коефіцієнт дифузії в твердих тілах вкрай чутливий до дефектів кристалічної решітки, що виникли при нагріванні, напругу, деформаціях і ін впливах. Збільшення кількості дефектів (головному чином вакансій) полегшує переміщення атомів у твердому тілі і приводить до зростання коефіцієнта дифузії. Для коефіцієнта дифузії в твердих тілах характерна різка (експонентна) залежність від температури. Так, коефіцієнт дифузії цинку в мідь при підвищенні температури від 20 до 300 ° С зростає в 10 14 разів.

Диффундирующие речовина

Основний компонент

Температура, ° С

Коефіцієнт дифузії, м 2 / сек

Водень (газ)

Кисень (газ)

0

0,70 · 10 -4

Пари води

Повітря

0

0,23 · 10 -4

Пари етилового спирту

Повітря

0

0,10 · 10 -4

Сіль (NaCI)

Вода

20

1,1 · 10 -9

Цукор

Вода

20

0,3 · 10 -9

Золото (тв.)

Свинець (тв.)

20

4.10 -14

Значення коефіцієнта дифузії (при атмосферному тиску)

Для більшості наукових і практичних завдань істотно не дифузійне рух окремих частинок, а те, що відбувається від нього вирівнювання концентрації речовини в спочатку неоднорідному середовищі. З місць з високою концентрацією йде більше часток, ніж з місць з низькою концентрацією. Через одиничну площадку в неоднорідному середовищі проходить за одиницю часу безповоротний потік речовини в бік меншої концентрації - дифузійний потік j. Він дорівнює різниці між числами частинок, що перетинають майданчик в тому і інших напрямках, і тому пропорційний градієнту концентрації СС (зменшення концентрації С на одиницю довжини). Ця залежність виражається законом Фіка (1855):

j =-DСC.

Одиницями потоку j у Міжнародній системі одиниць є 1 / м 2 · сек або кг / м 2 · сек, градієнта концентрації - 1 / м 4 або кг / м 4, звідки одиницею коефіцієнта Дифузія є м 2 / сек. Математично закон Фіка аналогічний рівняння теплопровідності Фур'є. В основі цих явищ лежить єдиний механізм молекулярного перенесення: в 1-му випадку перенесення маси, у 2-му - енергії.

Дифузія виникає не тільки при наявності в середовищі градієнта концентрації (або хімічного потенціалу). Під дією зовнішнього електричного поля відбувається дифузія заряджених частинок (електродіффузія), дія поля тяжкості або тиску викликає бародіффузію, в нерівномірно нагрітої середовищі виникає термодифузії.

Всі експериментальні методи визначення коефіцієнта дифузії містять два основних моменти: приведення в контакт дифундують речовин та аналіз складу речовин, зміненого дифузією склад (концентрацію продіффундіровавшего речовини) визначають хімічно, оптично (зі зміни показника заломлення або поглинання світла), мас-спектроскопічно, методом мічених атомів та ін

Дифузія відіграє важливу роль в хімічній кінетиці і технології. При протіканні хімічної реакції на поверхні каталізатора або одного з реагуючих речовин (наприклад, горіння вугілля) дифузія може визначати швидкість підведення ін реагуючих речовин і відводу продуктів реакції, тобто бути визначальним (лімітуючим) процесом.

Для випаровування і конденсації, розчинення кристалів і кристалізації визначальною виявляється звичайно. Процес дифузія газів через пористі перегородки або в струмінь пара використовується для ізотопів поділу. Дифузія лежить в основі численних технологічних процесів - адсорбції, цементації та ін (див. дифузійні процеси); широко застосовуються дифузійна зварювання, дифузійна металізація.

У рідких розчинах дифузії молекул розчинника через напівпроникні перегородки (мембрани) призводить до виникнення осмотичного тиску (див. Осмос), що використовується у фізико-хімічному методі поділу речовин - діалізі.

Дифузія в біологічних системах. Дифузія відіграє важливу роль у процесах життєдіяльності клітин і тканин тварин і рослин (наприклад, дифузія кисню з легенів у кров і з крові в тканини, всмоктування продуктів травлення з кишечника, поглинання елементів мінерального живлення клітинами кореневих волосків, дифузія іонів при генеруванні біоелектричних імпульсів нервовими та м'язовими клітинами). Різна швидкість дифузії іонів через клітинні мембрани - один з фізичних факторів, що впливають на виборче накопичення елементів в клітинах організму. Проникнення розчиненої речовини в клітину може бути виражено законом Фіка, в якому значення коефіцієнта дифузії замінено коефіцієнтом проникності мембрани, а градієнт концентрації - різницею концентрацій речовини по обидві сторони мембрани. Дифузійне насичення клітину газів і води (див. Осмос) також описується законом Фіка, при цьому значення різниці концентрацій замінюються значеннями різниці тисків газів і осмотичних тисків всередині і поза клітиною.

Розрізняють просту дифузію - вільне переміщення молекул та іонів у напрямку градієнта їх хімічного (електрохімічного) потенціалу (так можуть переміщатися лише речовини з малими розмірами молекул, наприклад вода, метиловий спирт); обмежену дифузію, коли мембрана клітини заряджена і обмежує дифузія заряджених частинок навіть малого розміру (наприклад, слабке проникнення у клітину аніонів); полегшену Дифузія - перенесення молекул та іонів, самостійно не проникаючих або дуже слабо проникають через мембрану, ін молекулами («переносниками»); так, мабуть, проникають у клітину цукру і амінокислоти . Через мембрану, ймовірно, можуть дифундувати і переносник, і комплекс переносника з речовиною. Перенесення речовини, що визначається градієнтом концентрації переносника, називається обмінної дифузією; така дифузія чітко проявляється в експериментах з ізотопними індикаторами. Різну концентрацію речовин в клітині і навколишнього її середовищі не можна пояснити тільки дифузія їх через мембрани за рахунок наявних електрохімічних та осмотичних градієнтів. На розподіл іонів впливають також процеси, які можуть викликати перерозподіл речовин проти їх електрохімічного градієнта з витратою енергії, - так званий активний транспорт іонів

Теплопровідність

Теплопровідність в рідинах має місце при наявності градієнта температури. При цьому енергія в рідинах передається в процесі зіткнення коливних частинок. Частинки з більш високою енергією роблять коливання з більшою амплітудою, і при зіткненнях з іншими частками як би розгойдують їх, передаючи їм енергію. Такий механізм передачі енергії не забезпечує її швидкого перенесення. Тому теплопровідність рідин дуже мала.
В'язкість

В'язкість - опір, який чиниться тілом руху окремої його частини без порушення зв'язку цілого. Такий рух становить характеристику рідин, як "крапельних", так і "пружних", тобто газів.

Внутрішнє тертя рідин виникає при русі рідини через перенесення імпульсу в напрямку, перпендикулярному до напрямку руху. Перенесення імпульсу з одного шару в інший здійснюється при перегонах молекул, про які говорилося вище.
Очевидно, що рідина буде тим менш в'язкою, чим менше час t між стрибками молекул, і значить, чим частіше відбуваються скачки. Виходячи з цього, можна написати вираз для коефіцієнта в'язкості, що називається рівнянням Френкеля - Андраде:
.

Множник C, що входить в це рівняння залежить від дальності стрибка , Частоти коливань n і температури. Однак температурний хід в'язкості визначається множником ew / kT. Як випливає з цієї формули, з підвищенням температури в'язкість швидко зменшується.
Найменша сила приводить у рух частину рідкого тіла і викликає в рідині "протягом", що триває і після припинення дії сили. При визначенні В. належить мати перш за все на увазі тіла рідкі, крапельно-рідкі і пружно-рідкі. За визначенням Ньютона, рідина тіло, що володіє такою рухливістю, що окремі частини його можуть абсолютно вільно переміщатися всередині тіла, як би ковзаючи без тертя. Таке oпpeделеніе ідеальної рідини, реальні ж рідини виявляють лише певну ступінь рухливості. Рух, повідомлене частини рідини, поступово сповільнюється і, нарешті, зовсім припиняється, перетворюючись на теплоту. Причина, що затримує вільний рух частин рідини, причина заважає рідини "текти", називається "внутрішнім тертям", або В. рідини. Щоб підтримувати протягом рідини з деякою постійною швидкістю, необхідно безперервну дію сили, необхідно постійний тиск, величина якого і може служити мірою в'язкості.
Величина в'язкість характеризує як би ступінь недосконалості рідини. І в звичайній мові "густий", або "в'язкої", рідини ми протиставляємо "рідку" (напр., ми говоримо: "рідке вино, рідке молоко" тощо), тобто таку, яка представляє високу ступінь рухливості. Як би не були, проте, великі величини в'язкості, поки ми маємо справу з рідинами, явища руху їх повинні представляти лише кількісні відмінності. І при величезній в'язкості всяка, навіть дуже мала сила, повинна викликати кінцеву швидкість "течії". Тільки в тому випадку, коли величина в'язкість є нескінченною, коли кінцева сила викликає нескінченно малу швидкість течії, тобто, коли тіло зовсім не тече при дії певної сили, воно позбавлене властивостей рідини. При вирішенні питання про те, застосовні чи і до твердих тіл поняття про в'язкості, необхідно розглянути, чи представляють і в яких умовах тверді тіла нескінченну величину в'язкість. Тверді тіла характеризуються пружністю. Сила, прикладена до пружному тілу, спричиняє зміну форми - деформацію, наступаючу негайно, і ніяких тривають рухів у частинах пружного тіла не відбувається. Досвід показує, що тверді тіла пружні лише у відомих межах деформації. За цими межами пружності тверді тіла виявляють більшу чи меншу "пластичність", властивість в основі тотожне з "плинністю" рідин. Багато тверді тіла володіють вельми низькою межею пружності і при дії навіть дуже малих сил є пластичними. Піддаючи такі тіла значного тиску, можна викликати рух, цілком відповідає "течією" рідин.
По досвідах Тріска, свинець при великому тиску видавлюється з отворів судини подібно рідини, а по дослідам Спрінг - при тиску в декілька тисяч атмосфер майже всі тверді тіла (навіть і вельми крихкі при звичайних умовах) є пластичними. Високий ступінь пластичності виявляють не тільки навіть аморфні, але і кристалічні тіла. Прикладом пластичності кристалічного тіла може служити пластичність льоду. Чудові "текучі кристали" Лемана, які виявляють ознаки кристалічного складання (при оптичному дослідженні) тільки тоді, коли їх тяжкість урівноважена окружающею рідиною; при недостатньому дотриманні цієї умови кристали ці течуть, як рідина, і не виявляють кристалічного складання. При низькому межі пружності відмінність між твердим тілом і рідиною згладжується, і вирішити, чи маємо ми в такому випадку справу з вельми в'язкою рідиною або з дуже пластичним твердим тілом, нелегко. Гліцерин напр., Ми можемо визнати ще рідиною, хоча і дуже в'язкою, але чим вважати вазелін, віск і т. п.? Критерієм є існування межі пружності. Але при низькому межі пружності і при великій В. встановити існування зрадила пружності неможливо. При цих умовах довелося б неминуче докладати малі сили, а при малих силах і великої в'язкості швидкість "течії" так незначна, що легко вислизає від спостереження. Досвід показує, що багато Малопластичні тіла, як, наприклад, вар, навіть чавун і мармур при досить тривалому дії порівняно слабких сил зазнають змін форми, що не зникають після припинення дії сили. Дуже наочно виявляє явища пластичності скло. Якщо залишити, наприклад, термометр у горизонтальному положенні, підпертий в крайніх точках, то через кілька років він виявляється сильно зігнутим. Таким чином, піддаючи тіла короткочасного дії сили, можна впасти в помилку щодо межі пружності і визнати тіло у відомих межах абсолютно пружним і нескінченно в'язким тільки внаслідок недостатньої тривалості спостереження. Був, тому, порушуємо питання: чи існує взагалі межа пружності, або ж при тривалій дії навіть найменших сил все тіла відчувають тривають зміни форми. Чи існують тіла з нескінченно великою в'язкістю і абсолютно позбавлені "плинність"? Дослідного вирішення цього питання, як і аналогічного йому питання про летючості, або випаровуваності, тіл не є, і навряд чи таке рішення можна чекати в майбутньому. У всякому разі, ми можемо стверджувати, що по відношенню до плинності немає різкої межі між рідкими та твердими тілами. Завдяки існуванню дуже в'язких рідин і вельми пластичних твердих тіл обидва стани пов'язані настільки безперервної ланцюгом, що можна по відношенню до в'язкості говорити про різкі відмінності тільки крайніх членів ланцюга. Поняття про в'язкості не пов'язане виключно з поданням про рідини. Воно приурочене лише до того роду руху, який властивий у високому ступені рідин і виявляється в їх "перебігу". Щоб визначити міру в'язкості, розглянемо рух рідини в найпростіших умовах, що мають місце при русі її з постійною швидкістю по циліндричній трубці, нею зволоженість. При цьому в'язке тертя не має місця, дотичний з поверхнею трубки шар рідини знаходиться в спокої і протягом її представляє ковзання нескінченного числа циліндричних поверхонь. Такий рух по циліндричних поверхнях вельми наочно виявлено у вищевказаних дослідах Тріска. Стискаючи cepію платівок свинцю, Тріска змушував свинець видавлюватися через круглий отвір внизу у формі циліндра. Розріз цього циліндра представляв ряд концентричних шарів, абсолютно подібних річних шарів дерева. Виходячи з зазначеного подання і грунтуючись на таких положеннях Ньютона: 1) тертя двох поверхонь рідини пропорційно їх відносної швидкості, 2) пропорційно величині поверхонь, і 3) не залежить від тиску, під яким знаходиться рідина, Стокс (а згодом і інші) вивів наступну залежність
V = (Dπr 4) / (8μl)
де V - обсяг витекла в одиницю часу рідини, r - радіус трубки, l - її довжина, D - тиск рідини, μ - постійна, що характеризує в'язкість рідини, а π - відоме ставлення кола до діаметра. Така ж залежність виведена була ще раніше з безпосередніх дослідів Пуазелем. Таким чином, знаючи обсяг протекшей по трубці в одиницю часу рідини, тиск, довжину і радіус трубки, можна обчислити μ - постійну в'язкість. Ця постійна виражає силу, необхідну для того, щоб викликати у двох шарах рідини з поверхнею, яка дорівнює 1, і розташованих на відстані, що дорівнює 1, різниця швидкостей, яка дорівнює 1, за умови, що рух представить ковзання нескінченного числа паралельних площин. Точне визначення абсолютної величини постійної пов'язане з труднощами внаслідок труднощі точного вимірювання розмірів трубки. Внаслідок цього воліють визначати відносну величину цієї постійної, порівнюючи час, необхідний для проходження через одну і ту ж трубку даного об'єму рідин при даному тиску. У цьому випадку
μ / μ 1 = t / t 1
тобто в'язкості відносяться, як часи закінчення. За одиницю в'язкості беруть в'язкість води. Описаний спосіб найбільш уживаний для визначення в'язкості. Для тієї ж мети застосовувалися також спостереження над хитанням дисків. В. представляє величину дуже характерну для жідкостей.Завісімость між складом і в'язкістю, як показав Грем, представляє той же характер, як і залежність між складами і температурою кипіння. Незважаючи на значне число досліджень, привести залежність між складом рідин і їх в'язкістю до простій формі і понині не вдалося.
В'язкість зменшується з температурою. Заслуговують на увагу спостереження над в'язкістю розчинів. Знайдено, що розчин, складений в пропорції, що представляє і щодо інших властивостей особливості, виявляє і найбільшу в'язкість. Так, з розчинів спирту і води найбільшу в'язкість виявляє розчин, якому відповідає і найбільшу стиснення. Найбільша відповідає розчинів, склад яких виражається простими частковими формулами. Чудові також спостереження над в'язкістю водних розчинів солей хлористо-водневої кислоти, виявили співвідношення між в'язкістю цих розчинів і положенням елементів у періодичній системі.

Список використаної літератури

1. Френкель Я. І., Собр. обр. праць, т. 3 - Кінетична теорія рідин, М. - Л., 1959

2. Гіршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярна теорія газів і рідин, пров. з англ., М., 1961

3. ; Шьюмон П., Дифузія в твердих тілах, пров. з англ., М., 1966

4. Франк-Каменецький Дифузія А., Дифузія і теплопередача в хімічній кінетиці, 2 изд., М., 1967

5. Булл Г., Фізична біохімія, пров. з англ., М., 1949

6. С. В. Богословський, Фізичні властивості газів і рідин, 2001

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
63.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Аналіз лікарських речовин в біологічних рідинах
Загальні відомості про магнітні рідинах
Методи переносу генетичного матеріалу в клітини ссавців
Різницеві схеми для рівняння переносу на нерівномірних сітках
До розрахунку ефективних магнітних полів в магнітних рідинах
Фазова швидкість групова швидкість і швидкість переносу енергії
Незрозумілі явища
Явища - як вони є
Світлові явища
© Усі права захищені
написати до нас