орпо. Под процессами переноса в современной физике понимают перенос вещества (диффузия), количества движения (вязкое течение) и энергии (теплопроводность, конвекция)
 Скачать 63.5 Kb.
|
|
Под процессами переноса в современной физике понимают перенос вещества (диффузия), количества движения (вязкое течение) и энергии (теплопроводность, конвекция). Знание основных законов, которым подчиняются эти физические явления является одним из важнейших требований современной науки. В многочисленных исследованиях процессов переноса можно всегда проследить их взаимосвязь и влияние друг на друга. Мы ограничимся описанием только одного явления переноса - переноса массы вещества или диффузии. Диффузия - казалось бы такое простое слово, но какую большую роль она играет во многих процессах, распространенных в природе и технике. Под диффузией понимают самопроизвольное проникновение одного вещества в другое. Как природное явление, диффузию в явной или неявной форме начали изучать с момента признания того факта, что все тела в окружающем нас мире состоят из молекул или атомов, которые находясь в постоянном движении взаимодействуют между собой, проникая друг в друга. Первые опубликованные серьезные научные работы по массопереносу относятся к началу XIX века - это работы Грехэма, Фика, позже Максвелла, Больцмана. В частности, Максвеллом и Больцманом была заложена основа молекулярно-кинетической теории, которая к настоящему времени достигла значительных успехов. Параллельно для описания процессов переноса многие ученые начинают привлекать термодинамическую и гидродинамическую теории. Мы не будем вдаваться в суть этих теорий, а упомянули их для того, чтобы показать какое внимание уделяется научной общественностью явлениям переноса. Итак, мы уже знаем, что газы состоят из молекул, которые находятся в постоянном движении. Самый простой диффузионный процесс - это перемещение в некотором объеме молекул чистого (однокомпонентного) газа, когда они взаимодействуют только с себе подобными. В этом случае говорят, что происходит самодиффузия. Eсли же имеются два газа, то проникновение одного в другой происходит по законам более сложным и их взаимодействие сопровождается рядом эффектов, которые начинают оказывать определенное влияние на весь массообменный процесс. Из школьного курса физики известно, что от одного столкновения до другого молекула проходит определенный путь, который называется длиной свободного пробега. Длина этого пути зависит от скорости молекулы и давления при котором находится газ. В свою очередь скорость молекулы связана с ее массой и температурой. Если считать, что температура и давление постоянны, то смешение молекул двух сортов газов будет происходить только за счет изменения их первоначальной концентрации (в науке употребляется термин градиента концентрации). Из этого простого рассуждения можно заключить, что “тяжелые” молекулы, по сравнению с “легкими”, при всех прочих равных условиях имеют скорости меньше, а следовательно и меньшую длину свободного пробега. В научной литературе способность газов проникать друг в друга характеризуется, так называемым, коэффициентом диффузии. Рассмотрим диффузию молекул легкого газа в тяжелый на примере гелия (Не) и аргона (Аr). Для этого представим некоторый объем, который разделен перегородкой на две части (в дальнейшем в том месте, где размещается перегородка мы будем помещать воображаемую контрольную площадку). Сверху перегородки поместим Не, а снизу Аr. Почему именно таким должно быть расположение газов легко объяснимо. Так как гелий легче аргона (плотность его меньше, чем аргона), то возникновение течений (конвекции) за счет сил Архимеда, т.е. из-за разности плотностей исключено. В противном случае смешивание газов будет происходить недиффузионным путем, а благодаря конвекции. Выровняем давление и температуру в обоих частях объема и уберем перегородку (теперь здесь находится контрольная площадка). Что же мы должны наблюдать? Естественно начнется диффузия молекул гелия в аргон и наоборот. В начальный момент времени молекулы гелия, как более подвижные, проникнут в часть объема занимаемого аргоном в большем количестве, чем молекулы аргона в гелий. Тогда в нижней части объема увеличится давление, а в верхней уменьшится, так как величина давления прямопропорциональна числу молекул в объеме, занимаемом газом. В результате между двумя частями нашего объема возникнет разность давлений или, так называемый, диффузионный бароэффект. Избыток давления согласно законам механики сплошной среды приведет к образованию гидродинамического потока, который начнет переносить как молекулы гелия, так и аргона из нижней части объема в верхнюю. Таким образом, массоперенос разнородных газов в замкнутых объемах представляет из себя чисто молекулярные (за счет хаотического движения) потоки газов, на которые налагается гидродинамический (течение всей смеси, как целое) поток. Такая суперпозиция потоков приведет к тому, что число молекул сверху - вниз и наоборот через воображаемую контрольную площадку будет выровнено естественным образом и если газы идеальные, т.е. подчиняются закону Менделеева-Клапейрона, говорят, что диффузия происходит в системе отсчета среднечисловой или среднеобъемной скорости. Существуют еще несколько употребляемых для описания массопереноса систем отсчета (по другим физическим признакам), но мы на них останавливаться не будем, чтобы не усложнять понятие о процессе. Мы также не будем уделять внимание другим эффектам (менее значимым), которые сопровождают диффузию двух разнородных газов. Вот теперь, когда раскрыт физический механизм диффузионного процесса в двойной (бинарной) системе, можно перейти к рассмотрению диффузии в многокомпонентных смесях. Мы ограничимся простейшей - тройной газовой смесью, закономерности массопереноса в которой будут применимы к более сложным системам. Для начала поймем механизм появления, так называемых, эффектов Тура (ученый из США), который предсказал их существование путем теоретического исследования диффузии в тройных системах. Эти эффекты получили названия: “осмотической” диффузии, “противодиффузии” или “обратной диффузии” и “диффузионного барьера”. Изящное физическое объяснение они получили в работе профессора Косова Н.Д. и доцента Новосад З.И., которые при этом использовали закономерности проявления диффузионного бароэффекта. Рассмотрим снова диффузию гелия и аргона, но теперь их разбавим в равных пропорциях третьим ( балластным ) газом, например, азотом. Заполним наш объем. Сверху будет располагаться пятидесятипроцентная смесь гелия и азота, а снизу пятидесятипроцентная смесь аргона и азота. Выровняв давление, температуру и уберем перегородку, разделяющую смеси. Как было показано выше, гелий начнет быстрее проникать в нижнюю часть объема, чем аргон в верхнюю. Внизу возрастет давление и возникнет диффузионный бароэффект, который в свою очередь породит гидродинамический поток. Последний начнет перемещать всю смесь газов (гелия, аргона и азота) снизу вверх. В результате такого воздействия количество азота, который казалось бы не должен изменять свою равновесную концентрацию, увеличится вверху и уменьшится внизу. Произойдет сдвиг первоначальной равновесной концентрации азота. В таком случае говорят, что это точка “осмотической” диффузии. Однако диффузионный бароэффект еще не сказал своего последнего слова, он оказывает влияние на диффузионный процесс. В результате концентрация молекул азота продолжает возрастать вверху и уменьшаться внизу. Этот временной отрезок процесса называется “противодиффузией”, т.е. концентрация молекул азота увеличивается там, где их уже больше. Так будет продолжаться до тех пор, пока перенос молекул азота за счет гидродинамического потока не уравновесится обратным - чисто молекулярным переносом, из-за теперь возникшего вверху избытка молекул азота. Точка, когда это условие реализуется называется “диффузионным барьером”. Начиная с этого момента молекулярный перенос азота преобладает над гидродинамическим. Отметим, что рассмотренные нами циклы, через которые проходит перенос балластного газа могут повториться с гораздо меньшей интенсивностью, так как не надо забывать, что диффузионный бароэффект формируют основные диффундирующие газы - гелий и аргон, а пока их концентрации не достигли равновесных значений есть условия проявления эффектов Тура. Остановимся еще на одном важном явлении, которое наблюдается при диффузии в многокомпонентных смесях и очень интенсивно изучается в последнее время. В литературе оно получило название “двойной диффузии” (диффузии тепла и массы), так как впервые было обнаружено при океанографических исследованиях, затем было открыто в гидродинамике и как ни парадоксально значительно позже исследовано в чисто диффузионных процессах под названием диффузионной неустойчивости (нестабильности). Эти исследования описаны в специальной научной литературе, к которой может обратиться любознательный читатель. Мы же остановимся на физических моментах возникновения диффузионной нестабильности. Рассмотрим изотермическую диффузию в следующей трехкомпонентной системе. В верхней части диффузионного аппарата разместим пятидесятипроцентную смесь гелия и аргона, а в нижней - чистый азот. Обратим внимание, что плотность бинарной смеси вверху меньше, чем плотность азота внизу, т.е. с точки зрения постановки эксперимента все сделано корректно. Выровняем давление в обоих частях аппарата и уберем перегородку. Диффузия началась. В чистый азот одновременно проникают как гелий, так и аргон, но при этом и, мы еще раз обращаем внимание, что подвижность молекул гелия в несколько раз больше, чем аргона. Молекулы гелия переместятся в слое азота на гораздо большее расстояние, по сравнению с молекулами аргона. В результате такого перемещения в вертикальном диффузионном слое образуются как бы два подслоя с разными плотностями (стратификация по плотности), причем подслой с большей плотностью (в основном за счет молекул аргона и азота ) будет находиться над подслоем с меньшей плотностью (в основном за счет молекул гелия и азота). Проще говоря, тяжелое находится над легким в поле силы тяжести. (Особо отметим, что возникший при этом бароэффект не окажет влияния на формирование подслоев. Он просто сместит их вверх). Как показал эксперимент, время необходимое для формирования подслоев или стратификации в диффузионном слое очень мало и составляет буквально секунды. Итак, тяжелая смесь расположена над легкой в поле силы тяжести, а это уже свидетельствует о том, что подобное состояние системы неустойчиво и достаточно любого воздействия, чтобы слои “перевернулись”, т.е. поменялись местами. Когда это произошло, тяжелый подслой начнет “проваливаться” в более легкий азот, а легкий подниматься вверх в бинарную смесь гелия и аргона за счет сил Архимеда. Возникает конвекция. Таким образом, в трехкомпонентной газовой смеси перенос на молекулярном уровне вызвал появление макротечений - конвекцию, которая, как будет показано ниже, по своим воздействиям на процесс во много раз интенсивнее, чем диффузия. Из этого объяснения четко проступает физический механизм возникновения диффузионной неустойчивости. Этот термин впервые был применен в работах американских ученых и связан, по-видимому, с нарушением конвективными потоками монотонности изменения концентраций компонентов свойственной обычной, устойчивой диффузии. Теперь рассмотрим условия и параметры, которые оказывают существенную роль на возникновение и протекание диффузионной неустойчивости. Во-первых, это параметры, связанные с переносными свойствами газов: коэффициентами диффузии и вязкости, во-вторых, с термодинамическими параметрами: давлением, температурой, концентрацией и, в-третьих, с геометрическими размерами диффузионного канала: диаметром и длиной. Очень коротко охарактеризуем их влияние. Понятно, что если у нас имеется диффузионно неустойчивая система, то главную роль в образовании стратифицированных областей будет играть различия в диффузионных способностях газов, составляющих бинарную смесь, в третий газ. Представим себе, что этап формирования стратифицированных областей произошел, но возникнет конвекция или нет уже будет связано с вязкостью газовой смеси. Мала вязкость, конвекция получит дальнейшее развитие, велика - процесс может не возникнуть. Давление и температура связанные между собой параметры. С увеличением давления или уменьшением температуры в системе создаются благоприятные условия для возникновения конвекции, так как стратифицированные области при этом “сжимаются” и их не успевает “размыть” молекулярная диффузия. Если же понизить давление или поднять температуру, то эти области получаются более протяженными (“размытыми” ) им тяжелее “перевернуться” и возможности для проявления конвекции становятся значительно хуже. И еще, чтобы неустойчивость возникла при более высокой температуре необходимо поднимать давление, или снижая давление надо понижать температуру. Мы уже знаем, что присутствие самого тяжелого компонента в бинарной смеси обязательно для возникновения неустойчивого процесса. Вопрос состоит в том, сколько же его должно быть? Верхний предел его концентрации легко определить. В этом случае его концентрация и концентрация легкого газа должны быть такими, чтобы плотность бинарной смеси была бы меньше (в крайнем случае равной) плотности чистого компонента. В противном случае смеси газов в диффузионном аппарате придется менять местами. Для нижнего предела пока не существует каких-либо строгих рекомендаций или расчетных формул и его определяют опытным путем для конкретных условий, связанных с проведением эксперимента. Геометрические размеры диффузионного канала, особенно, диаметр очень важная характеристика. Любознательный читатель вправе спросить, в чем же все таки причина, что диффузионную неустойчивость обнаружили впервые не при исследовании массопереноса, а в других областях науки. Ответ довольно простой и состоит в том, что при диффузионных измерениях, как правило, в качестве диффузионного канала используют капиллярные трубки, диаметры которых малы и они значительно меньше тех размеров “ячеек конвекции” (структуры формируемые из стратифицированных областей), т.е. должен существовать определенный критический диаметр канала, по которому могла бы двигаться структура не разрушаясь при своем перемещении. Так для системы 0,5 Не + 0,5 Аr - N2 при давлении от 1,5 МПа и выше, температуре 298 К диаметр канала должен быть более 2,5 мм. Меньше этого размера будет наблюдаться обычный устойчивый процесс. Влияние длины канала проявляется в меньшей степени. Понятно, чем длиннее канал, соединяющей емкости с газами, тем меньше вероятность, что структуры при своем движении по каналу сохраниться. Не надо забывать, что газы, входящие в структуру, диффундируют в радиальном направлении и со временем она может прекратить свое существование. Поэтому, чем меньше длина канала, тем лучше проявляется неустойчивость. Итак мы определили самые важные условия и параметры, влияющие на диффузионную неустойчивость. Можно было упомянуть влияние неизотермичности условий, моды возмущений и т.д., но их рассмотрение достаточно сложно и требует специальных знаний. Особо отметим, что изменение концентраций компонентов при неустойчивом процессе в противоположность устойчивому носит немонотонный характер. Это проявляется в виде нерегулярных колебаний во времени с частотой 1-2 Гц. Амплитуда сигнала на начальном этапе наибольшая. С течением времени она уменьшается до нулевого значения, обозначая тем самым, что в системе начинает преобладать молекулярный перенос. Подводя итог популярному изложению особенностей многокомпонентной диффузии, в частности, диффузионной неустойчивости хотелось бы наметить отдельные области науки и техники, где возможно ее проявление. 1) Массообменные процессы в химической технологии. Например, синтез аммиака, который диффузионным путем реализуется в порах катализатора при очень высоких давлениях и умеренных температурах. Рассмотрим формулу для этого процесса N2 + 3H2 = 2NН3. Обратим внимание на такие моменты. В бинарной смеси есть компоненты: легкая - водород (=2) и тяжелая - азот (=28), есть и промежуточный продукт - аммиак (=17). Вот вам и смесь, где возможно возникновение неустойчивого процесса, а это обязательно приведет к нарушению технологического цикла и отклонению его от расчетных параметров. 2) Диффузионные процессы в условиях невесомости. Мы обсуждаем проявление диффузионной неустойчивости в земных условиях при наличии силы тяжести. На космических кораблях она существует, хотя и на много порядков меньше, поэтому нельзя исключать влияние конвекции на массообменные процессы. По-видимому, эти исследования вопрос ближайшего будущего и проводить их будет новое молодое поколение ученых. |