Определение степени черноты водяного пара и углекислого газа.

Степень черноты углекислого газа и водяных паров так же, как излучательная способность этих газов, является функцией

P и T: и определяется по номограммам. Как следует из формул излучательной способности водяного пара и углекислого газа для Н₂О влияние р несколько сильнее, чем , поэтому найденное значение

необходимо умножить на поправочный коэффициент , который определяется по номограмме . Степень черноты смеси газов определится по уравнению

,

где – поправка, учитывающая , что часть полос излучения этих газов совпадает. Эта поправка незначительная и

составляет не более 2…4 %. Значения берутся из номограмм по средней температуре газа.

51.Основные положения массообмена. Виды диффузии. Закон Фика.

Закономерности массопередачи рассмотрим на примере взаимодействия аммиачно – воздушной смеси (фаза G) и воды (фаза L). Фазы в противотоке движутся с некоторой скоростью относительно друг друга и разделены подвижной поверхностью фаз (свободная граница раздела фаз).

Предположим, что перенос распределяемого компонента (аммиака) происходит в условиях турбулентного движения фаз, причем аммиак переходит из фазы G, где его концентрация больше равновесной (у>у_гр), в фазу L, в которой его концентрация меньше равновесной (х<х_гр).

Таким образом, осуществляется процесс массоотдачи из фазы G к поверхности раздела фаз и процесс массоотдачи от поверхности раздела в фазу L. В результате этих частных процессов и преодоления сопротивления переносу через поверхность раздела фаз происходит процесс массопередачи – переход компонента из одной фазы в другую. Схема массопередачи изображена на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2 – Схема массопередачи и профили изменения концентрации компонента в турбулентном потоке

Процесс массопередачи тесно связан с гидродинамической структурой потока в каждой фазе. При турбулентном режиме движения в каждой фазе можно выделить ядро, или основную массу фазы, и пограничный слой у поверхности раздела фаз. В ядре потока в силу турбулентных пульсаций концентрация распределяемого компонента практически постоянна. В пограничном слое турбулентность затухает, что приводит к резкому изменению концентрации по мере приближения к поверхности раздела. Непосредственно у поверхности перенос сильно замедляется, так как его скорость определяется скоростью молекулярной диффузии.

Известно, что при переносе субстанции (в данном случае массы вещества) можно выделить два механизма – молекулярный и конвективный. При турбулентном движении в ядре потока фазы массоперенос к поверхности раздела фаз (или в противоположном направлении) осуществляется в основном конвективной диффузией. В пограничном слое скорость массопереноса лимитируется скоростью молекулярной диффузии. Для интенсификации массопереноса необходимо повышать степень турбулентности потока ( например, увеличивая скорость фаз до некоторого предела), уменьшая толщину пограничного слоя.

Для системы, находящейся в равновесии, концентрации распределяемого компонента у границы раздела фаз равны равновесным, то есть у_гр=у_р; х_гр=х_р.

Диффузией называется процесс переноса вещества из одной части системы в другую в результате беспорядочногодвижения частиц. Различают следующие виды диффузии:

самодиффузия –диффузия частиц одного вещества,протекающая при отсутствии градиента каких-либо движущих сил;

концентрационная диффузия –перемещение вещества под воздействием градиента концентрации.Эта диффузия

называется нисходящей, поскольку вещество перемещается из участков, в которых его концентрация больше, в участки,

где его концентрация меньше;

термодиффузия –перенос вещества под воздействием градиента температур.Термодиффузия обусловленавозникновением градиента химического потенциала диффундирующего вещества в температурном поле. Вещество перемещается из частей системы, в которых его химический потенциал больше,

в части, в которых его химический потенциал меньше. При этом концентрация вещества изменяется в обратном направлении и диффузия называется восходящей; реактивная диффузия –перемещение вещества в участки системы,где оно образует с другим компонентом раствора

химическое соединение, т.е. диффундирующее вещество выводится из исходной фазы в обособленную (например, диффузия углерода в участки образования карбидов, диффузия легирующих элементов – в участки, где образовались интерметаллиды). К реактивной диффузии относится также перераспределение углерода между аустенитным швом и ферритно-перлитным основным металлом: углерод диффундирует в аустенит, в котором его растворимость выше. Концентрационная диффузия является наиболее простым случаем и наиболее изучена.

Процессы концентрационной диффузии описываются уравнением законов Фика:

, (11)

где – количество продиффундировавшего вещества; dS – площадь сечения диффузионного потока, dτ – время градиент концентрации, отрицательный потому, что диффузия идет от большей концентрации к меньшей; D –

–

коэффициент диффузии, . Закон Фика справедлив для малых концентраций диффундирующего вещества, далеких от концентрации насыщения. Процесс диффузии аналогичен распределению тепла посредством теплопроводности. Количество вещества соответствует количеству тепла, а концентрация – температуре. Поэтому второй закон диффузии может быть выведен аналогично уравнению теплопроводности:

. (12)

Уравнение (12) выражает второй закон Фика в самом общем виде в предположении, что коэффициент диффузии зависит от концентрации элемента и различен в различных направлениях. Если считать коэффициент диффузии не зависящим от

концентрации, а тело – изотропным, т.е. полагать, что , то выражение (12) упростится:

(13) или , (14) где .

В простейшем случае линейной диффузии по оси х, когда концентрация по оси y и z постоянна,

и

.

Для этого случая получим

. (15) Интегрирование уравнения (15) дает зависимость концентрации диффундирующего вещества от координаты х и времени τ:

, (16)

где

– функция Крампа от аргумента

; её можно найти по таблице для заданных

значений х; D; τ.

Расчет развития диффузионных процессов на основании второго закона Фика сохраняется для жидких и твердых сред, но коэффициенты диффузии будут значительно меньше, чем для газообразных систем.

Для газообразных систем коэффициенты диффузии вычисляются на основании кинетической теории газов:

, (17) где λ – длина свободного пробега; – средняя скорость движения газовых молекул.

Коэффициенты диффузии в жидкостях могут быть рассчитаны по уравнению Стокса:	, (18)
где k – постоянная Больцмана; Т – температура; η – коэффициент вязкости среды; r – радиус частицы.

Коэффициент диффузии в жидкостях на несколько порядков меньше, чем в газах. Для твердых кристаллических тел коэффициенты диффузии еще меньше.

Коэффициент диффузии значительно меняется в зависимости от температуры процесса, концентрации диффундирующего вещества, свойств среды, наличия в сплаве третьего компонента.

Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Самым известным примером диффузии является перемешивание газов (например, молекулы духов смешиваются с молекулами газов воздуха, и аромат духов можно почувствовать, стоя вдали от человека, надушившегося ими) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: если один конец

стержня нагреть или электрически зарядить, распространяется тепло (или соответственно электрический ток) от горячей (заряженной) части к холодной (незаряженной) части. В случае металлического стержня тепловая диффузия развивается быстро, а ток протекает почти мгновенно. Если стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно, а диффузия электрически заряженных частиц — очень медленно. Диффузия молекул протекает в общем ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микрометров только через несколько тысяч лет.

Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень с диаметром в два сантиметра, чем через стержень с диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться в два раза быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии пропорциональна в связи с этим средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C .

Если в смеси газов одна молекула в четыре раза тяжелее другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение делящегося под нейтронным облучением ²³⁵U от основной массы ²³⁸U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.

С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала

J ~В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C.Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций,так как химический потенциалсвязан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то выше приведённую формулу можно заменить на следующую:

, которая показывает, что плотность потока вещества J [cm ^{- 2}s ^{- 1}] пропорциональна коэффициенту диффузии D [(cm²s ^{- 1})] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика (Адольф Фик — немецкий физиолог, установивший законы диффузии в 1855 г.). Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):

Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса. Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера—Планка.