23 | 10 | 2017
Учебные материалы
Для преподавателей
Работы студентов
Справочная и техническая литература
Статьи по темам

Свойства аэрозолей

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.00 (1 Голос)

Свойства аэрозолей

Свойства аэрозолей определяются не только состоянием и свойствами дисперсной фазы, т. е. самих частиц, а и взаимодействием их с дисперсионной средой. Последняя характеризуется природой газа, его давлением, температурой и наличием их градиентов, а также скорости течения и турбулентности.

Бесконечное разнообразие свойств аэрозолей предопределяется сочетанием некоторых факторов. К ним относятся химическая природа аэрозольных частиц, их форма, строение и размер. Последний может меняться в очень широких пределах – от нескольких ангстрем до долей миллиметра. Иначе говоря, количество молекул в аэрозольной частице может варьироваться в интервале от нескольких штук до порядка 1018.

Нижняя граница её величины достаточно очевидна. В самом деле, частица дисперсной фазы должна содержать хотя бы несколько молекул: совокупность мономолекулярных частиц – это газ, а не аэрозоль. Многие газы и пары содержат ассоциаты молекул – димеры, триммеры, тетрамеры т. д., т. е. объединение молекул в группы, удерживаемые межмолекулярными (ван-дер-ваальсовыми) силами. Критерием здесь служит не размер, а качественное различие поведения газовых молекул и аэрозольных частиц.

Первые при столкновении с твёрдыми поверхностями отскакивают от них. С аэрозольными частицами таковое явление не наблюдается. Они не отскакивают от поверхности при любом столкновении. При этом способность к стопроцентному прилипанию зависит не только от числа молекул в каждой из них, но и от их природы. Судьба частицы после столкновения с поверхностью – отскок или захват, возможность или невозможность десорбции – определяется, во-первых, соотношением энергии взаимодействия этих двух сторон и теплового движения, а во-вторых, способностью частицы «погасить» в себе энергию удара. Последняя ведёт к необратимому прилипанию. Она появляется тогда, когда частицы достигают размера не менее 6…10 молекул. Эту величину можно принять за нижнюю границу размеров аэрозольных частиц. Их поведение с увеличением данного показателя меняется. Крупные из них, содержащие 109 и более частиц, в определённых условиях могут при столкновении отскакивать от поверхности. Для них способность к прилипанию уже не является критерием принадлежности к аэрозолям. Отскок крупных частиц возможен. Во-первых, потому, что энергия их удара о поверхность может на многие порядки превышать энергию теплового движения, и она не поглощается в полной мере молекулами частицы. Существует и вторая причина объяснения данного явления. Крупные частицы не успевают затормозиться средой при приближении к поверхности. Наконец, для них ослабевает энергия молекулярного взаимодействия со стенкой – адгезия. Это объясняется тем, что поверхность частицы возрастает медленнее, чем её масса, и в поверхностном взаимодействии крупной частицы принимают участие не все её молекулы, а лишь небольшая её часть.

Рассмотрим вопрос о том, где же проходит верхняя граница размеров частиц.

Как говорилось выше, аэрозоль представляет собой взвесь твёрдых или жидких частичек в газе. Добавим теперь, что к ним относятся такие, в которых частички перемещаются в основном вместе с потоками содержащего их газа, т. е. составляют с ним достаточно устойчивую систему.

Смещаться относительно среды частицы могут за счёт воздействия гравитации, электрического поля, инерции и других сил. Например, при криволинейном движении тока аэрозоля траектория частиц вследствие инерции отклоняется от линии тока газа. Так, если в среде существует турбулентность, т. е. движение завихрённое, то вихри будут увлекать частицы. При этом силы инерции выбрасывают их из одного завихрения в другое. Соотношение между этими двумя явлениями определяется размером и массой частиц. Его можно использовать для определения верхней границы их размеров. Аэрозоль существует до тех пор, пока частицы, взвешенные в газе, движутся преимущественно вместе с ним. Исходя из этого условия, что если скорость их перемещения относительно среды за счёт перебросов не больше, чем при переносе средой, то такую частицу можно считать аэрозольной. Данное определение условно. Это объясняется тем, что соотношение между перебросом и увлечением частиц в потоке газа зависит не только от их размера. На данный показатель также существенное влияние оказывает интенсивность турбулентности. Для последней, существующей при умеренном ветре в приземном слое атмосферы, условию равенства скоростей переноса за счёт увлечения и переброса для вещества с плотностью воды размер сферической частицы соответствует 40…60 мкм, т. е. 4×10-5 м, среди которых наиболее крупные могут вести себя как аэрозольные. Это наблюдается в более плотной и турбулентной атмосфере.

Как известно, во время обработки аэрозолями их частицы переносятся вместе с газовой средой и могут смещаться относительно неё.

Рассмотрим механику этого процесса.

Допустим, что на частицу действует сила тяжести. При этом начинается обтекание её средой, сопровождающееся гидродинамическим сопротивлением, сила которого определяется по формуле, выведенной студентом Оксфордского университета Дж. Стоксом:

F=6πηVa, (1.1)

где: F – сила гидродинамического сопротивления; a – радиус частицы; V – скорость её движения; η – коэффициент внутреннего трения, [m/lt].

В нашем примере осаждение частиц происходит под действием силы тяжести. Согласно механике аэрозолей, оно должно быть равноускоренным. Как говорилось ранее, частица перемещается в среде (вязкой, газовой или жидкой) под действием постоянной силы, в данном случае, силы тяжести. Она быстро набирает скорость во время этого движения, которое становится равномерным за счёт уравновешивания силы тяжести силой сопротивления.

Из условия их равенства можно определить скорость, с которой будет осаждаться сферическая частица, имеющая плотность ρ, [m/l3] [6]:

(1.2)

(1.3)

Откуда:

τ=2a2ρ/9η. (1.4)

Приближение к скорости стационарного движения определяется по формуле:

V=V0[1-exp(-t/τ)], (1.5)

где: τ – время механической релаксации частиц [6].

В диапазоне аэрозолей эта величина очень мала: при единичной плотности она составляет всего 10-6 с для частицы размером 1 мкм. Таким образом, время достижения ею скорости, равной 90% стационарной, приблизительно равняется 2 мкс после начала падения. Это позволяет сделать вывод о том, что под действием постоянной силы аэрозольные частицы всегда совершают равномерное движение. Однако, оно не всегда подчиняется уравнению Стокса. Верным будет представление газовой среды как сплошной жидкости лишь на расстояниях, много больших длины свободного пробега газовых молекул λ – среднего расстояния, проходимого одной из них до столкновения с другой. В воздухе при атмосферном давлении λ≈6×10-8 м. Иногда размер частиц бывает сравним с данной величиной. В таком случае уравнение Стокса требует поправок. В противном случае начинает действовать закон свободномолекулярного движения. Это происходит тогда, когда частица становится значительно меньше длины свободного пробега. При этом она находится в состоянии тяжёлой молекулы. Оно существенно отличается от положения обтекаемых жидкостью тел. Движение частиц затрудняется за счёт столкновения с молекулами газа. Таким образом, можно сделать вывод о том, что от размера и длины свободного пробега частиц существенно зависит их поведение в определённой среде. Отношение между этими двумя величинами называется числом Кнудсена, которое, наряду с абсолютной скоростью, оказывает большое влияние на закон сопротивления.

Следует отметить, что формула Стокса подтверждается только на промежутке, на котором скорость движения частицы меньше этого показателя для газовых молекул (звука в среде). Их отношение называется числом Маха (Ма).

Также необходимо обратить внимание на то, что при нахождении силы сопротивления учитывается только работа против вязких сил среды. При этом расходом энергии на преодоление её инерции пренебрегают. Из этого следует, что формула Стокса – приближенное решение уравнения течения вязкой жидкости (уравнения Навье-Стокса). Соотношение между ролью вязких и инерционных сил характеризуется безразмерным числом Рейнольдса:

Re=VaρГ/η, (1.6)

где: ρГ – плотность вязкой среды (газа). При Re<1 инерционными эффектами можно пренебречь.


Свойства аэрозолей - 4.0 out of 5 based on 1 vote

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить