Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Основные физические свойства жидкой фазы и их характеристика 11
1.1 Фазы вещества и их характеристики 11
1.2. Характерные особенности фазовых переходов на линии насыщения 18
1.3 Основные физические свойства жидкой фазы на линии насыщения 26
ГЛАВА 2 Теоретический анализ поверхностного натяжения и вязкости на линии насыщения 37
2.1 Теоретический анализ величины поверхностного натяжения на линии насыщения 37
2.2 Теоретический анализ величины коэффициента вязкости на линии насыщения 52
2.3 Теоретический анализ взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента вязкости на линии насыщения 57
ГЛАВА 3 Теоретический анализ характера изменения плотности жидкой и паровой фаз на линии насыщения 66
3.1 Теоретический анализ характера изменения плотности жидкой фазы на линии насыщения 66
3.2 Анализ уравнения Кальете - Матиаса и его использование для определения величины критической плотности 75
3.3 Анализ температурной зависимости плотности паровой фазы 84
Глава 4 Экспериментальное исследование температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента вязкости и взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента вязкости 88
4.1 Описание экспериментальной установки для определения коэффициента поверхностного натяжение и коэффициента вязкости жидкости 88
4.2 Анализ экспериментальных результатов коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента вязкости жидкости. Характер их взаимосвязи 94
Заключение 98
Выводы 99
Библиографический список
- Характерные особенности фазовых переходов на линии насыщения
- Теоретический анализ величины коэффициента вязкости на линии насыщения
- Анализ уравнения Кальете - Матиаса и его использование для определения величины критической плотности
- Анализ экспериментальных результатов коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента вязкости жидкости. Характер их взаимосвязи
Введение к работе
Актуальность проблемы. Ряд весьма важных особенностей процесса кипения, таких как, например, наиболее интенсивный процесс перенос тепла от нагретой твердой поверхности к соприкасающейся с ней кипящей жидкостью, быстрое удаление паровой фазы из жидкой системы, преимущественное содержание в паровой фазе пара более летучего вещества при кипении смесей, и ряд других особенностей позволили процесс кипения использовать в теплотехнике, в криогенной технике, ядерной энергетике, в металлурги, в технологических процессах химической, легкой и пищевой промышленности. Об этом свидетельствуют многочисленные исследования отечественных ученых и зарубежных ученых.
Поскольку в качестве теплоносителей широко используются жидкости самой различной природы, то глубокое понимание процесса кипения в целом, невозможно без глубокого изучения жидкой фазы и ее свойств, таких как плотность жидкости, вязкость, поверхностное натяжение, теплоемкость, теплота фазовых превращений и т.д.
Несмотря на обилие жидкостей, рекомендация для их внедрения в промышленность лимитируется в подавляющем случае отсутствием сведений о их физических свойствах. Экспериментальное определение физических свойств веществ, в том числе и в жидком состоянии, требует больших затрат времени и материальных средств. Поэтому расчет физических свойств жидкой фазы, используемой в качестве теплоносителя в различных температурных режимах, имеет большое значение. А широкое использование жидкой фазы в теплоэнергетике, в криогенной технике, в химической и пищевой промышленности и других областях, требуют постоянных уточнений результатов ее физических и физико-химических свойств, что, естественно, свидетельствует об актуальности рассматриваемой темы «Исследование физических свойств жидкой фазы на линии насыщения», изучению которой и посвящена данная диссертационная работа.
Диссертационная работа выполнена в Ставропольской государственной медицинской академии в 2006-2010 годах в соответствии с планом научно-исследовательских работ академии.
Цель работы заключалась в теоретическом и экспериментальном исследовании физических свойств воды и спиртов, взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и вязкости жидкой фазы.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
Исследовать характер изменения плотности жидкой фазы как функции температуры на линии насыщения.
Исследовать характер изменения плотности паровой фазы как функции температуры.
Исследовать величины критической плотности жидкой фазы.
Провести анализ коэффициента поверхностного натяжения жидкой фазы в области ее существования, как функцию температуры.
Исследовать характер изменения коэффициента динамической вязкости жидкой фазы как функции температуры на линии насыщения.
Провести анализ характера взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости жидкой фазы на линии насыщения.
Научная новизна
Проведен анализ характера изменения плотности жидкой фазы на всей линии насыщения и получено математическое выражение, позволяющая определять плотность жидкости в области существования жидкой фазы Т0<Т <Тк.
Проведены исследования характера изменения плотности паровой фазы на всей линии насыщения и предложено математическое выражение, позволяющее определять плотность паровой фазы.
Основываясь на правиле прямолинейного диаметра, разработан способ определения критической плотности жидкой фазы.
Впервые проведены исследования температурного коэффициента
Неповерхностного натяжения —, полученного методом термодинамических циклов и показано, что как и выражения Этвеши и Френкеля - Губанова, сводятся к результату: a = c(Tk-T).
Исследован характера изменения вязкости жидкой фазы в интервале температур Т0 <Т<ТК и получено математическое выражение, позволяющее определять вязкость жидкой фазы в указанном интервале температур.
Впервые проведен анализ характера взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения с коэффициентом вязкости жидкости на линии насыщения и проанализирована динамика изменения
отношения — как функции температуры.
Научная и практическая значимость работы
Впервые получено математическое выражение, позволяющее определять плотность жидкой фазы на линии насыщения в области существования жидкой фазы (Т0 <Т<Тк).
Разработан метод расчета плотности паровой фазы на линии насыщения в интервале температур (Т0 <Т <ТК).
Основываясь на методе Кальете - Матиаса разработан способ определения критической плотности жидкой фазы.
Впервые аналитическим методом показано, что термический коэф-
da фициент поверхностного натяжения —, полученный методом термодинамических циклов, как и выражения Этвеши и Френкеля -Губанова, сводятся к результату o = c(Tk-T).
Проведен анализ динамики характера изменения вязкости жидкой фазы как функции температуры и получено математическое выражение, позволяющее определить вязкость жидкой фазы на линии насыщения в интервале температур Т0 <Т <ТК.
Выяснена динамика изменения отношения —как функции температуры и выяснен характер взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения с коэффициентом вязкости жидких фаз.
Личный вклад автора
Диссертационная работа представляет собой итог самостоятельной работы автора. Задачи исследования ставились научным руководителем, который также принимал участие в выборе методов исследования и в обсуждении полученных результатов. Соавторы участвовали в проведении экспериментальных работ, обработке и обсуждении некоторых результатов.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
Математическая модель, позволяющая оценить плотность жидкой фазы на линии насыщения.
Математическая модель, позволяющая оценить плотность пара на линии насыщения.
Расчет критической плотности пара методом Кальете-Матиаса.
Математическая модель для расчета коэффициента поверхностного натяжения методом термодинамических циклов.
Метод расчета коэффициента вязкости жидкости.
Обоснование характера взаимодействие коэффициента поверхностного натяжения и вязкости жидкой фазы на линии насыщения и характера изменения расхода жидкости.
Достоверность результатов диссертационной работы. Научные положения, результаты экспериментальных исследований, выводы по диссертации оригинальны и получены с использованием современных методов. Достоверность научных положений подтверждена системным подходом к исследованиям, обработкой результатов экспериментов современными математическими и статистическими методами.
Полученные параметры (коэффициент поверхностного натяжения, динамический коэффициент вязкости, плотность жидкости) близки по значению к подобным параметрам, полученными другими авторами.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре физики Ставропольской государственной медицинской академии (2006 - 2010 г.г.), на кафедре теплотехники Северо-Кавказского государственного технического университета (г.Ставрополь 2006 - 2010 г.г.),
на VI, VII и VIII региональных конференциях «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (г. Ставрополь 2006 - 2010 г.г.).
Публикации: основные результаты диссертационной работы опубликованы:
в журнале «Физическая химия».
в материалах X, XI, XII, XIII научно-практических конференций «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону»;
в Вестнике Северо-Кавказского государственного технического университета;
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения.
Диссертация содержит 120 страниц машинописного текста, 17 рисунков, 14 таблиц и списков литературы из 132 наименования.
Характерные особенности фазовых переходов на линии насыщения
Известно [31], что первое представление о структуре вещества были сформированы еще в древние времена.
Например, древнегреческие философы Анаксагор и Демокрит считали, что любое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц - атомов. Разнообразие веществ, имеющихся в природе, объясняется не разнообразием различных сортов атомов, а разнообразием соединений этих атомов, которые мы называем молекулами. В силу малости размеров атомов огромная их совокупность, образующая твердое или жидкое тело, внушает нам представления о непрерывности этих тел. Атомы находятся в непрерывном движении, соединения их могут распадаться, превращаясь в другие соединения, что и объясняет нам наблюдаемые превращения веществ.
В зависимости от температурного режима вещество может находится в различных фазах. Фазой, как известно [32, 33, 34, 35 и др] можно называть систему, ограниченную поверхностями раздела, с одинаковыми физическими свойствами во всех ее точках.
А. С. Ахматов обращает внимание [36], что невозможно изучение свойств вещества в граничных слоях без понимания законов взаимодействия атомов или молекул, образующих граничные слои.
Изучение взаимодействия между частицами показало [37 — 41], что между атомами и молекулами на сравнительно больших расстояниях между ними действуют силы притяжения, а на сравнительно малых расстояниях действуют силы отталкивания. По своей природе указанные силы являются силами электромагнитного происхождения. Существование сил отталкивания на малых расстояниях есть констатация того факта, что атомы и молекулы, занимающие какое - то место в пространстве, препятствуют другим атомам и молекулам занимать то же самое место [32].
Поскольку атомы и молекулы находятся постоянно в движении, следовательно, они обладают определенной кинетической энергией, которая стремиться разбросать их, а силы притяжения при этом стремятся связать атомы и молекулы в единое целое.
Окончательный результат от указанных выше противоборств будет зависеть от их относительной интенсивности. Количественной мерой интенсивности является потенциальная энергия притяжения и кинетическая энергия. Известно [32], что если средняя кинетическая энергия значительно больше абсолютного значения средней потенциальной энергии взаимодействия молекул, то вещество находится в газовой фазе, у жидкостей они примерно равны, а у твердых тел абсолютное значение средней потенциальной энергии взаимодействия молекул много больше их средней кинетической энергии.
Поскольку газообразное состояния образуется в результате полного подавления тенденции молекул к сцеплению, вещество в газообразном состоянии не сохраняет ни формы, ни объема. Его объем, и форма определяются формой и объемом сосуда, в котором находится газ.
Расстояние между частицами вещества, находящегося в газообразном состоянии значительно превышают их размеры. Отсюда следует, что суммарный объем частиц газа по сравнению с емкостью, занимаемой газом, очень мал. Поэтому переход газа в жидкость сопровождается более чем тысячекратным уменьшением. В твердой фазе молекулы и атомы сильно сцеплены друг с другом, поэтому вещество в твердом состоянии сохраняет и форму, и объем. Молекулы или атомы твердого тела располагаются в строго определенном порядке, образуя кристаллическую решетку, совершая при этом колебания около некоторых средних положений, называемых узлами кристаллической решетки. Покидать же область узла они не могут. Линия, вдоль которой происходят колебания молекул или атомов, и амплитуда колебаний меняются с течением времени, но за большие промежутки времени по сравнению с периодом т0 их колебаний.
Регулярное расположение атомов или молекул в узлах кристаллических тел повторяется в пределах сотен, тысяч и десятков тысяч слоев. На этом основании и говорят, что в кристалле имеет место дальний порядок в упаковке атомов или других частиц (ионов, молекул), из которых построена ячейка кристалла [29, 42, 43]. Количественной характеристикой упорядоченности структуры может служить парная функция распределения g(r) (рисунок 1).
Радиальная функция распределения представляет собой вероятность обнаружения частицы на расстоянии от некоторой другой частицы, выбранной в качестве объекта наблюдения. Распределение плотности вероятности характеризуется
функцией g(r). В случае твердого тела плотность отличается от нуля лишь вблизи узлов кристаллической решетки, пик соответствует узлам решетки, а форма кривых в окрестности пиков является гауссовской, поскольку атом не покоится точно в узле решетки, а движется в окрестности этого узла.
Жидкая фаза вещества стремится сохранить объем, но не сохраняет формы. Молекулы жидкой фазы находятся близко друг к другу, как бы соприкасаясь, однако, их относительные положения не фиксированы, и они сравнительно медленно меняют положения друг относительно друга. Колебательные процессы молекул в жидкости, как и в кристаллах, состоят в отклонениях от их положения равновесия, как отмечено выше, не фиксированы, а изменяются во времени. Согласно кинетической теории жидкого состояния, описанной Я. И. Френкелем, если по соседству с молекулой имеется полость молекулярных размеров, то происходит переход из одного положения равновесия в другое скачком. Скачкообразное перемещение молекул обычно называют трансляционным движением. Оно является причиной текучести жидкости. Основное уравнение этой теории имеет вид: где т - время пребывания молекулы в состоянии равновесия, т0 - период колебания молекулы, Е - энергия активации, равная высоте потенциального барьера в процессах перехода молекулы из одного состояния равновесия в другое, к - постоянная Больцмана, Т - температура жидкой фазы.
Продолжительность пребывания молекулы в одном положении равновесия, т. е. между двумя последовательными перескоками, называют временем оседлой жизни.
При отсутствии внешних воздействий перескоки молекул происходят хаотично во всех направлениях, что приводит к самопроизвольному перемещению молекул.
Теоретический анализ величины коэффициента вязкости на линии насыщения
Коэффициент поверхностного натяжения а является одним из свойств, характеризующих меру напряженности действующих в жидкости межмолекулярных сил. Он постоянно находится в центре внимания многих исследований, т. к. входит в качестве одной из определяющих величин некоторых тепловых параметров в процессе генерации пара.
Нами сделана, попытка проанализировать характер изменения коэффициента поверхностного натяжения а жидкостной фазы, как функции температуры, основываясь на известных результатах и придти к обобщенному результату. Полученные результаты опубликованы в работе [112, 121].
Анализ показывает [73], что для определения коэффициента поверхностного натяжения о как функции температуры Т часто используется уравнение Этвеши [30, 52]. Согласно этому уравнению коэффициент поверхностного натяжения х различных жидкостей убывает с возрастанием температуры по закону:
Уравнение (2.4) неудобно для практического применения, так как отсутствуют упругие константы для различных температурных интервалов жидких сред.
Исследуя последний член уравнения (2.4), авторы [88] пришли к выводу, что он слабо зависит от упругих свойств жидкой среды и для простых веществ он равен 0.84. Для веществ с многоатомными молекулами уравнение (2.4) дает расхождение с экспериментальными данными 30-50 %. Проверяя уравнение (2.4) для различных веществ, авторы [88] пришли к выводу, что если последний член правой части уравнения (2.4) не считать универсальной константой, то уравнение (2.4) можно представить в следующем виде:
Губанова сводится к тому же результату что и формула Этвеши. da Температурный коэффициент - р, как это видно из уравнения (2.3) зависит от плотности р жидкости, которая в свою очередь зависит от температуры. Из таблицы 1 виден характер изменения плотности жидкости р с изменением температуры и постоянной К0 Этвеши, рассчитанной по формуле (2.2), однако комплекс параметров жидкости, в данном случае воды,
K0[p J /ju2n в интервале температур 0С ґ 300С остается практически постоянным (среднее значение ті7 = 2,09) и его изменения находятся в пределах погрешности измерения, и лишь в близи критической температуры 300С, как это видно из приведенной таблицы, имеет место резкое его снижение. Таблица 1 - Значения коэффициента Этвеши К0, плотности жидкости р1
Таким образом, уравнения Этвеши и Френкеля - Губанова сводится к определению величины поверхностного натяжения по формуле (2.14). В интервале температур 0 t 370 С указанное выражение для воды можно представить в следующем виде:
Результаты вычислений, показанные в таблице 2, согласуются удовлетворительно с опытными результатами, описанными в работах [114, 115].
С практически не сказывается и имеет место в пределах погрешности измерения. Анализ температурного коэффициента поверхностного натяжения методом циклов (круговых процессов), показывает, что величина —г
Так как скрытая теплота образования поверхности положительна (г 0), da то согласно последнему выражению —— v, т.е. поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, что и подтверждается опытом. Как показывает анализ, проведенный выше, из уравнения Этвеши и da уравнения Френкеля-Губанова следует, что -—; = С . Естественно, возникает аТ вопрос, не является ли в формуле (2.15) температурный коэффициент da поверхностного натяжения так же величиной постоянной, т.е. —гг = С . Но из уравнения (2.15) видно, что для выполнения указанного требования необходимо, чтобы с увеличением температуры пропорционально увеличивалась скрытая теплота образования поверхности. Из рисунка 5 видно, что с увеличением температуры Т скрытая теплота парообразования (прямая 2) уменьшается, следовательно, этот параметр не может удовлетворять указанному требованию. В то же время, как это видно из указанного рисунка, полная теплота парообразования Я (прямая 1) с увеличением температуры увеличивается по линейному закону, а, da следовательно, предположение, что —— = - имеет место.
Введем в выражение (2.15) вместо параметра г, соответствующий ему параметр /ЗЯ, где /3 размерный коэффициент пропорциональности, определенный по экспериментальным данным [14, 32], имеет величину 2,98 -Ю-8 кг I м . Тогда уравнение (2.15) можно представить в виде: данным работы [51] Авторы работы [46] обращают внимание, что скрытая теплота парообразования является слабоубывающей функцией температуры, хотя во многих расчетах указанную величину можно считать постоянной. Однако, для того, чтобы приблизить расчетные значения к опытным они рекомендуют для определения температурной зависимости скрытой теплоты парообразования следующее выражение:
Сопоставление уравнений (2.24) и (2.25) показывает, что в этих уравнениях различны только коэффициенты Кх и К2, определяющие наклон прямых 1 и 2, показанных на рисунке 5. Однако, более высокое значение коэффициента К2 приводит к завышенным результатам коэффициента поверхностного натяжения, рассчитанных по формуле (2.25) по отношению к опытным результатам, что хорошо видно из таблицы 3.
Анализ уравнения Кальете - Матиаса и его использование для определения величины критической плотности
Анализ, проведенный в параграфе 1.3, показывает, что коэффициент динамической вязкости как функция температуры часто описывается чисто качественно или описывают значения коэффициента 7] в узком температурном интервале. Нами сделана попытка, получить математическое выражение, которое позволяло бы рассчитывать указанный параметр по всей линии насыщения в определенном доверительном интервале. Результаты, полученные нами опубликованы в работах [123, 132], и описываются ниже.
Физико-химические методы используются для изучения гомогенных жидкостей, т. е. жидкостей, макроскопические свойства которых, и в том числе состав, во всех точках рассматриваемого пространства данной среды одинаков.
Введение соответствующих поправок позволяет применять классические законы и к разбавленным однородным суспензиям.
Известно [44], что молекулы жидкости могут перескакивать из одного положения равновесия в другое, находящееся от предыдущего в среднем на расстоянии X. Среднее время между последовательными перескоками будет определяться температурой и, в соответствии с законом Больцмана, равна
Наличие параметров А, г, Л, Е в выражении (2.36), затрудняет непосредственное использование непосредственное использование указанного выражения для расчета rj как функции температуры.
Переход вещества из одной области в другую характеризует его транспортные свойства. Транспортные процессы, как известно, имеют место в газах, жидкостях и твердых телах. С процессом транспорта вещества неразрывно связан такой силовой параметр как коэффициент вязкости rj, который остается неизменным только при фиксированном значении температуры. Изменение температуры влечет за собой и изменение Я, а, следовательно, и коэффициента вязкости. Поскольку любая система работает в определенном интервале температур, то, естественно, возникает необходимость определения вязкости в этом интервале. В данном случае рассматривается процесс изменения вязкости жидкости (воды) на линии насыщения.
Будем считать, что жидкая система находится при температуре Т. Если температуру жидкости увеличить на величину dT , то при этом вязкость rj уменьшится на величину drj, что дает возможность записать следующую пропорциональность:
Опытные и расчетные значения показаны на рисунке 6, который показывает, что опытные значения удовлетворительно согласуются с расчетными.
Более точные значения, особенно в предкритической области, дает эмпирическое уравнение, полученное нами, которое имеет вид: (для воды), которое можно использовать для вычисления динамического коэффициента вязкости жидкостей по всей линии насыщения, что и подтверждают результаты, показанные на рисунке 6. Численные значения коэффициента г] показаны в приложении (таблица 2). Таким образом, анализ показывает, что увеличением температуры динамический коэффициент вязкости будет уменьшаться по экспоненциальной зависимости.
График зависимости rj = f(T -Т0) 2.3 Теоретический анализ взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости на линии насыщения
При анализе характера взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости жидкости используется уравнение Пуазейля [125]:
Указанная закономерность, есть естественный переход жидкости из жидкого состояния в парообразное, связанное с процессом увеличения температуры. К тому же, предыдущий анализ подтверждает, что 7 по отношению 77 в указанной закономерности, показанной на рисунке 9, в начале а уменьшается медленнее чем т], затем достигается равновесие, после чего т уменьшается быстрее т/, что подтверждают выражения (2.31) и (2.48).
Учитывая, что для максимальной точки (рисунок 9 а) угол а = 0, коэффициент поверхностного натяжения сгт в указанной точке, как это следует из уравнения (2.58), будет определяться уравнением:
В таблицах 5, 6, 7, расположенных ниже, приведены численные значения, которые подтверждают, что результаты расчета удовлетворительно согласуются с опытом и подтверждают достоверность описанных выше процессов. В этом числе наличие плато в интервале температур 170# Г 210#.
На рисунке 9 б показан характер изменения = J\A - о) для этанола, из которого видно, что в указанной графической зависимости имеет место скошенность Sk 0. Однако, математический аппарат для установления взаимосвязи между т и г/ остается такой же, как для воды (Приложение таблица 5).
В таблице 8 (приложение) показаны результаты статистической обработки значения tga, из которого следует, что доверительный интервал указанного параметра можно представить в виде (для воды): tga = 0,310 ±0,034. В этот интервал с погрешностью 10,9% входят все результаты исследуемой области.
Поэтому, уравнение (2.65) в первом приближении позволило провести вышерасположенный анализ. ГЛАВА 3 Теоретический анализ характера изменения плотности жидкой и паровой фаз на линии насыщения
Теоретический анализ характера изменения плотности жидкой фазы на линии насыщения Различные технологические процессы как правило протекают в достаточно широком температурном интервале, что требует постоянного уточнения и дополнения об изменениях самых различных параметров жидких теплоносителей с изменением температуры, что подтверждается текущими публикациями [118, 119, 120 и др.].
Нами проведен анализ характера изменения плотности жидкости как функции температуры и результаты исследований описаны в работе [126].
Для достаточно широкого интервала температур, как известно [30], величину плотности р жидкой фазы можно определить с использованием выражения: Для определения указанного выше параметра, авторами работы [107] предложено следующее выражение: р = ps e x iTs), (3.3) где ps - плотность жидкости при температуре кипения, Ts - температура кипения, х коэффициент пропорциональности, зависящий от интервала температур, в котором находится жидкость.
Ни одна из указанных выше математических моделей не описывает плотность жидкой фазы во всей области ее существования.
Нами сделана попытка получить математическую модель, которая бы позволяла рассчитать плотность жидкой фазы в интервале температур - Т0 Т Тк где Т0 - температура плавления, Тк - критическая температура. Будем считать, что при изменении температуры на величину dT, плотность жидкости изменится на величину dp , в этом случае можно записать следующую пропорциональность: Введя коэффициент пропорциональности х , пропорциональность (3.4) можно записать в виде следующего равенства: -dp = x p dT. (3.5) Знак минус в уравнении (3.5) обращает внимание на тот факт, что с увеличением температуры происходит процесс уменьшения плотности жидкой фазы.
В работе [73] коэффициент пропорциональности х используется, как индикатор молекулярного взаимодействия и в связи с этим выделено три области:
Первая область — область недогретой жидкости, в которой жидкость сохраняет в большей степени свойства твердого тела и в которой силы межмолекулярного взаимодействия еще достаточно велики, а поэтому коэффициент пропорциональности %{\ характеризующий убыль плотности жидкой фазы с увеличением температуры, имеет наименьшее значение (Хг = 0,00042 - для воды). Вторая область — область перегретой жидкости, в которой в результате температурного воздействия силы молекулярного взаимодействия ослаблены, следовательно, процесс испарения происходит более интенсивно, — возрастает коэффициент пропорциональности х {% - 0,0015). Вторая область - это та область, находясь в которой, жидкость ушла от состояния, присущего твердой фазе, и не дошла до состояния, присущего газовой (паровой) фазе.
Третья область - область предкритического и критического состояния, в которой в результате температурного воздействия происходит нарушения ближнего порядка. Жидкая фаза в этой области все в большей степени походит на газ по мере приближения к критической точке, и в критической точке становится эквивалентной паровой фазе.
Поскольку по мере приближения температуры Т жидкой фазы к критической температуре Тк коэффициент поверхностного натяжения стремиться к нулю, т.е. уменьшается силовой фактор, препятствующий выходу молекулы из жидкой фазы (процессу испарения), следовательно, все это позволяет предположить
Анализ экспериментальных результатов коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента вязкости жидкости. Характер их взаимосвязи
Уравнение (4.9) и определяет величину коэффициента поверхностного натяжения исследуемой жидкости. Учитывая, что М = cp V {V - объем вытекшей жидкости, с - безразмерный коэффициент пропорциональности, устанавливающий эквивалентность объема сферической и не сферической капель), уравнение (4.9) можно представить в следующем виде:
Экспериментальная установка для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель показана на рисунке 16.
Цилиндрический сосуд 1 с залитой в него исследуемой жидкостью 2, устанавливается на столик 3. Жидкость выходит из отливного отверстия 4 и проходит по трубке 5, которая заканчивается капилляром с известным радиусом отверстия 6. Расход жидкости регулируется краном 7. Жидкость собирается в мензурке 8.
Подогрев жидкости осуществляется с использованием трубчатой печи 9, напряжение в которой регулируется с помощью ЛАТРа 12. Температура жидкости в сосуде 1 измеряется ртутным термометром 10. Температура капли, которая, оторвавшись, попадает на шарик термопары, определяется с помощью измерителя температуры «CENTER - 300» 11. Погрешность измерения температуры ± 0,3%.
Экспериментальная установка для определения коэффициента поверхностного натяжения При снятии показаний кран 7 поворачивается на такой угол, который обеспечивает приблизительно отрыв капли в секунду, что пренебречь потерей тепла капли. Термопара находится в пределах 5 — 6 мм от торца капилляра.
Начальное значение тока на трубчатом интервале устанавливается 0,4 А с помощью латера. Пауза для установления температуры составляет 25-30 минут. Затем значение тока увеличивается на 0,1 А. После каждого увеличения, выдерживается указанная пауза и затем отсчитывается 140 капель. Расход жидкости осуществляется по мерной линейке сосуда 1. Цена деления мерной линейки составляет 0,1 мл. Измеритель температуры «CENTER - 300» измеряет температуру с точностью до 0,1 С. Расчет коэффициента поверхностного натяжения осуществлялся с помощью формулы (4.10). 4.2 Анализ экспериментальных результатов коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента вязкости жидкой фазы и характера их взаимосвязи
Исследование величины коэффициента поверхностного натяжения жидкой фазы осуществлялось с использованием экспериментальной установки, показанной на рисунке 17.
В качестве исследуемых жидкостей использовались вода и этанол. В процессе исследования температура жидкой фазы повышалась для воды от Т = 296 до Т = 364 для этанола от Т = 297 до Т = 342.
Измерения коэффициента поверхностного натяжения производились при установившемся температурном режиме. Как показывает анализ опытных и теоретических данных, полученных нами и другими исследователями, результаты которых показаны в таблице 13, значения коэффициента поверхностного натяжения согласуются удовлетворительно. Результаты измерений находятся в пределах погрешностей измерений.
Оценим погрешность косвенного измерения коэффициента поверхностного натяжения исходя из выражения (4.10): ITZNR по которому определялось опытное значение т. Прологарифмируем указанное выражение:
Опытные значения коэффициента поверхностного натяжения показаны в таблице 13. Из указанной таблицы видно, что результаты расчета и опыта согласуются удовлетворительно. Таблица 14 иллюстрирует характер взаимодействия коэффициента поверхностного натяжения с коэффициентом вязкости для жидкой фазы по анализу результатов расчета и опыта. Таким образом, как показал анализ, проведенный выше, возможно определение коэффициента поверхностного натяжения по известному значению коэффициента вязкости и наоборот, определение коэффициента вязкости по известному значению коэффициента поверхностного натяжения.
В диссертационной работе в результате выполненного теоретического и экспериментального исследования физических свойств жидкой фазы на линии насыщения. 1. Получена температурная зависимость жидкой фазы (воды) на линии насыщения, которая с достаточной точностью согласуется с известными результатами. 2. Получена температурная зависимость паровой фазы (воды) на линии насыщения, которая удовлетворительно согласуется с известными опытными данными. 3. Проведен анализ температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения, полученной методом термодинамических циклов, и показано, что формула Этвеши, формула Френкеля - Губанова и формула, полученная методом термодинамических циклов, сводятся к одному и тому же результату. 4. Проведен температурный анализ коэффициента динамической вязкости на линии насыщения. 5. Проведен анализ взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента динамической вязкости. 6. На основе анализа уравнения Кальете — Матиаса получена величина плотности жидкой фазы для критической точки.
