Материал: 1) Основы теории процессов переноса импульса

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ИМПУЛЬСА, ТЕПЛОТЫ И МАССЫ

1.ВВЕДЕНИЕ

1.1.Предмет и задачи дисциплины

Изучение технологических процессов составляет предмет дисциплины. Технология (techne – искусство, мастерство) – совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката в процессе производства.

Технология, как наука, определяет условия практического применения законов естественных наук (физики, химии, механики и др.) для наиболее эффективного проведения разнообразных технологических процессов. Технология непосредственно связаны с производством, а производство постоянно находится в состоянии изменения и развития.

Основная задача дисциплины: выявление общих закономерностей процессов переноса и сохранения различных субстанций; разработка методов расчета технологических процессов и аппаратов для их проведения; ознакомление конструкциями аппаратов и машин, их характеристиками.

1.2. Классификация основных процессов промышленной технологии

Современная промышленная технология изучает процессы производства различных продуктов. Однако, несмотря на огромное разнообразие технологических процессов, получение продуктов связано с проведением ряда однотипных процессов (перемещение жидкостей и газов, нагревание и охлаждение, сушка, химическое взаимодействие и т.д.). Итак, в зависимости от законов, определяющих скорость протекания процессов, они могут быть объединены в следующие группы:

1.Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидромеханики. Сюда относятся транспортировка жидкостей и газов, получение и разделение неоднородных систем и др.

2.Тепловые процессы, скорость которых определяется законами переноса теплоты (охлаждение и нагревание жидкостей и газов, конденсаций паров, кипение жидкостей и др.).

3.Массообменные процессы, скорость которых определяется законами переноса массы из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз (абсорбция, адсорбция, экстракция, перегонка жидкостей, сушка и т.д.).

4.Химические процессы, скорость которых определяется законами химической кинетики.

5.Механические процессы, которые описываются законами механики твердых тел (измельчение, сортировка, смешение твердых материалов и др.)

Перечисленные процессы составляют основу большинства промышленных производств и поэтому называются основными (типовыми) процессами промышленной технологии. В курсе «Гидравлика и теплотехника» изучается первые три группы.

В зависимости от того, как изменяются или не изменяются во времени параметры процессов (скорость движения потока, температура, давление и т.д.) их подразделяют на стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся). Обозначим параметры как U, тогда

U 0 - стационарные процессы, U(x,y,z)t

U 0 - нестационарные, U(x,y,z,t)t

Периодический процесс характеризуется единством места проведения отдельных его стадий. Процесс нестационарный.

Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания всех его стадий. Процесс установившийся (стационарный).

Встречаются комбинированные процессы – отдельные стадии проводятся непрерывно, отдельные – периодически.

2.1.Основы теории переноса

2.1.1.Основные понятия

Теоретическим фундаментом науки о процессах и аппаратах промышленной технологии являются следующие основные законы природы:

-законы сохранения массы, энергии и импульса; -законы термодинамического равновесия; -законы переноса массы, энергии и импульса; -законы химической кинетики.

Множество всех материальных объектов условно разбивают на систему и окружающую среду.

Система (целое, составленное из частей) – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Система, полностью лишенная возможности взаимодействовать с окружающей средой, называется изолированной. Система, которой обменивается с окружающей средой только энергией, называется закрытой (замкнутой). Система, которая обменивается с окружающей средой веществом и энергией, называется

открытой.

Все физические величины, используемые для количественной характеристики системы, называется свойствами (параметрами).

Свойства системы, являющиеся суммой соответствующих свойств подсистем, называются экстенсивными или аддитивными. Это масса, энтропия, теплота, энергия, количество движения (импульс), объем, электрический заряд и т.д.

Свойства системы, не являющиеся суммой соответствующих свойств подсистем, называются интенсивными (неаддитивными). Эта температура, давление

ихимический потенциал. Любой экстенсивный параметр системы является субстанцией.

Каждая система по своему составу может быть либо гомогенной системой, или фазой, либо гетерогенной системой.

Гомогенной фазой называется вещество, физические и химические свойства которого во всех частях его объема одинаковы. Составляющие гомогенной системы перемешаны на молекулярном уровне. Например, смеси газов, жидкие и твердые растворы.

Фаза имеет четкую границу раздела, называемую межфазной поверхностью, отделяющую ее от других фаз. На межфазной поверхности происходит скачкообразное изменение свойств системы. Различают три фазы: твердую, жидкую

игазообразную.

Гетерогенные системы состоят из нескольких фаз, каждая из которых определена от другой фазы межфазной поверхностью. Гетерогенные двухфазовые системы, которые широко распределены в промышленности, состоят из фазы, преобладающей в системе по объему, и называемой дисперсионной средой, и фазы, присутствующей в меньшем количестве и называемой дисперсной фазой.

2.1.2. Механизмы переноса субстанций

Можно выделить три механизма переноса субстанций: молекулярный, конвективный и турбулентный.

Молекулярный механизм

Молекулярный механизм переноса субстанций обусловлен тепловым движением молекул. Взаимодействие между молекулами грубо можно представить как «жесткое» отталкивание на малых расстояниях между их центрами и «мягкое» притяжения на больших. На рис. 2.1. представлены изменения - потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия - в зависимости от .

φ(l)

Рис. 2.1. Типичный вид потенциала межмолекулярного взаимодействия

где wт – средняя скорость молекул; Mт – масса молекул., T – температура. Например, для кислорода при T = 0 C, wт = 461м/с.

В газах молекулы движутся хаотически, без взаимодействия друг с другом (свободный пробег). При понижении температуры системы уменьшается Eк . Они

теряют возможность преодолевать силы межмолекулярного взаимодействия и система, конденсируясь, переходит из газового состояния в жидкое. Возрастает роль межмолекулярного взаимодействия. При дальнейшем понижении температуры система переходит в кристаллическое состояние. Образуется структура кристаллической решетки. Преобладающим является тепловое движение молекул внутри ячейки.

Молекула, перемещаясь из одной точки пространства в другую, переносит все три вида субстанций – массу, импульс и энергию. В условиях равновесия макроскопический перенос субстанций не наблюдается, так как перенос молекул в любом направлении равновероятен. В отсутствии равновесия появляется молекулярный перенос масса в направлении от больших значении концентрации к меньшим, импульса – от больших значений скоростей к меньшим, энергии – от больших температур к меньшим.

Перенос массы осуществляется только за счет поступательного переноса, т.е. за счет непосредственного перемещения молекулы из одной точки пространства в другую.

Перенос импульса и энергии происходит как за счет поступательного переноса, так и за счет взаимодействия молекул (модель – столкновение твердых шаров). При столкновении молекул происходит изменение их скоростей, что приводит к так называемому столкновительному переносу импульса и энергии.

В газах перенос импульс и энергия, в основном, за счет поступательного переноса, в жидкостях в основном за счет столкновения молекул.

Конвективный механизм

Конвективный механизм переноса субстанции обусловлен движением макроскопических объемов среды как целого. Макроскопические величины могут даваться в каждой точке пространства путем усреднения микроскопических величин.

Конвективная скорость w (x,y,z,t) устанавливается путем осреднения случайных значений молекулярных характеристик в системе для макроскопической величины.

Движение макроскопических объемов среды приводит к переносу массы

(плотность = масса в единице объема), импульса (импульс единичного объема) w