Явление конденсации жидкости. Образование тумана

Содержание:

Цель курсовой работы………………………………………………………………3

Введение…………………………………………………………………...…...…....3

Конденсация паров ……………………………………………………...……………...4

Газ как агрегатное состояние вещества………..……………………………..……6

Сжижение газов……………………………………………………………….…….8

Адиабатный процесс ……………………................................................................11

Образование тумана……………….…………………………………………..…...12

Заключение………………………………………………………………………….17

Список литературы…………………………………………………………………18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цель курсовой работы

Целью данной работы является изучение и определение явления  конденсации, рассмотрение особенностей тумана как физического явления.

Введение

Агрегатные Состояния вещества (от лат. Aggrego –присоединяю, связываю), состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением его свободной энергии, энтропии, плотности и других физических свойств. Все вещества (за некоторым исключением) могут существовать в трёх агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. Так, вода при нормальном давлении p= 10l 325 Па=760 мм ртутного столба и при температуре t=00 С. кристаллизуется в лёд, а при 100°С кипит и превращается в пар. Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто считают плазму.

Агрегатное  состояние вещества зависит от физических условий, в которых оно находится, главным образом от температуры и от давления. Определяющей величиной является отношение средней потенциальной энергии взаимодействия молекул к их средней кинетической энергии. Так, для твёрдого тeла это отношение больше 1, для газов меньше 1, а для жидкостей приблизительно равно 1. Переход из одного агрегатного состояния вещества в другое сопровождается скачкообразным изменением величины данного отношения, связанным со скачкообразным изменением межмолекулярных расстояний и межмолекулярных взаимодействий. В газах межмолекулярные расстояния велики, молекулы почти не взаимодействуют друг с другом и движутся практически свободно, заполняя весь объём. В жидкостях и твёрдых телах —конденсированных средах — молекулы (атомы)расположены значительно ближе друг к другу и взаимодействуют сильнее. Это приводит к сохранению жидкостями и твёрдыми телами своего объёма. Однако, характер движения молекул в твёрдых телах и жидкостях различен, чем и объясняется различие их структуры и свойств.

У твёрдых  тел в кристаллообразном состоянии  атомы совершают лишь колебания  вблизи узлов кристаллической решётки; структура этих тел характеризуется  высокой степенью упорядоченности  — дальним и ближним порядком. Тепловое движение молекул (атомов) жидкости представляет собой сочетание малых колебаний около положений равновесия и частых перескоков из одного положения равновесия в другое. Последние и обусловливают существование в жидкостях лишь ближнего порядка в расположении частиц, а также свойственные им подвижность и текучесть.

Конденсация Паров

Конденсация паров (лат. condense — уплотняю, сгущаю) — переход вещества в жидкое или твёрдое состояние из газообразного. Температура, ниже которой происходит конденсация, называется критической. Пар, из которого может происходить конденсация, бывает насыщенным или ненасыщенным.

Насыщенный пар — пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же состава. Давление насыщенного пара связано определённой для данного вещества зависимостью с температурой. Когда внешнее давление падает ниже давления насыщенного пара, происходит кипение (жидкости) или возгонка (твёрдого тела); когда оно выше — напротив, конденсация или десублимация. Ненасыщенный пар — пар, не достигший динамического равновесия со своей жидкостью. При данной температуре давление ненасыщенного пара всегда меньше давления насыщенного пара. При наличии над поверхностью жидкости ненасыщенного пара, процесс парообразования преобладает над процессом конденсации, и потому жидкости в сосуде с течением времени становится все меньше и меньше.

Конденсация насыщенных паров

При наличии  жидкой фазы вещества конденсация происходит при сколь угодно малых пересыщениях и очень быстро. В этом случае возникает подвижное равновесие между испаряющейся жидкостью и конденсирующимися парами. Уравнение Клапейрона—Клаузиуса определяет параметры этого равновесия — в частности, выделение тепла при конденсации, и охлаждение при испарении.

 

Конденсация перенасыщенного пара

Наличие перенасыщенного пара возможно в следующих случаях:

отсутствие  жидкой или твёрдой фазы того же вещества.

отсутствие  ядер конденсации — взвешенных в  атмосфере твёрдых частиц или  капелек жидкости, а также ионов (наиболее активные ядра конденсации).

конденсация в атмосфере другого газа — в этом случае скорость конденсации ограничена скоростью диффузии паров из газа к поверхности жидкости.

При отсутствии ядер конденсации пересыщение может  достигать 800—1000 и более процентов. В этом случае конденсация начинается во флюктуациях плотности пара (точках случайного уплотнения вещества).

Конденсация ненасыщенного пара

Конденсация ненасыщенного пара возможна в присухность  изменяет равновесное давление и  инициирует капиллярную конденсацию.

Капиллярная конденсация — сжижение пара в капиллярах, щелях или порах в твердых телах. Капиллярная конденсация обусловлена наличием у адсорбента мелких пор. Пары адсорбента конденсируются в таких порах при давлениях, меньших давления насыщенного пара над плоской поверхностью вследствие образования в капиллярах вогнутых менисков. Возникновение этих менисков следует представлять как результат слияния жидких слоев, образовавшихся на стенках капилляра вследствие адсорбции паров. Возникновение вогнутых менисков возможно только в том случае, если образовавшаяся жидкость смачивает стенки капилляра.

Для расчета  изотерм капиллярной конденсации  используют модельные системы —  решеточные системы, упаковки из частиц правильной формы. Чаще уравнения капиллярной  конденсации используют для решения обратной задачи, то есть определяют размеры пор и их распределение по размерам на основании изотерм, с привлечением модельных представлений о геометрии порового пространства. Капиллярная конденсация может наблюдаться не только в системах жидкость-пар, но и в промерзающих пористых телах при наличии прослоек незамерзающей воды на внутренней поверхности пор.

Большую роль капиллярная конденсация играет также в процессах сушки, удерживания  влаги почвами и другими пористыми  материалами. Отрицательное капиллярное давление может удерживать вместе смачиваемые жидкостью частицы, обеспечивая прочность таких структур. В случае несвязных пористых тел возможна их объемная деформация под действием капиллярных сил- так называемая капиллярная контракция. Капиллярная конденсация может быть причиной прилипания частиц пыли к твердым поверхностям, разрушения пористых тел при замораживании сконденсированной жидкости в порах. Для уменьшения эффекта капиллярной конденсации используют лиофобизацию поверхности пористых тел.

Газ как агрегатное состояние вещества

Газы (французское gaz; название предложено голландским учёным Я. Б. Гельмонтом), агрегатное состояние  вещества, в котором его частицы  не связаны или весьма слабо связаны  силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Газы обладают рядом характерных свойств. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём газы существенно зависит от давления и температуры.

Диаграмма состояния  вещества  рис.1:

Любое вещество можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления и температуры. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных: давление р - температура Т (в р, Т-диаграмме, рис. 1). При температурах ниже критической Тк эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) / и парообразования II. Это означает, что при любом давлении ниже критического Рк существует температура Т (см. рис. 1), определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. В состояниях на кривой 1 (ниже тройной точки Tp)газ находится в равновесии с твёрдым веществом (твёрдой фазой), а на кривой II (между тройной и критической точкой К.) - с жидкой фазой. Газ в этих состояниях обычно называют паром вещества.

При температурах ниже Тк можно сконденсировать газ. - перевести его в др. агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). При этом фазовое превращение газа в жидкость или твёрдое тело происходит скачкообразно: весьма малое изменение давления приводит к конечному изменению ряда свойств вещества (например, плотности, теплоёмкости и др.). Процессы конденсации газа имеют важное техническое значение.

При Т > Тк граница  газообразной области условна, поскольку  при этих температурах фазовые превращения  не происходят. В ряде случаев за условную границу между газом. и жидкостью при сверхкритических температурах и давлениях принимают критическую изохору вещества (кривую постоянной плотности или удельного объёма, см. рис. 4), в непосредственной близости от которой свойства вещества изменяются, хотя и не скачком, но особенно быстро.

В связи с  тем что область газового состояния  очень обширна, свойства газов при  изменении температуры и давления могут меняться в широких пределах.

С другой стороны, при высоких давлениях вещество, которое при сверхкритических температурах можно считать газом, обладает огромной плотностью (например, в центре некоторых звёзд ~109 г/см3). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и др. свойства газов - теплопроводность, вязкость и т. д.

Сжижение  газов

Сжижение  газов -  переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Оно достигается охлаждением их ниже критической температуры (Тк) и последующей конденсацией в результате отвода теплоты парообразования (конденсации).

Охлаждение газа ниже ТК необходимо для достижения области температур, при которых газ может сконденсироваться в жидкость (при Т > Тк жидкость существовать не может). Впервые газ (аммиак) был сжижен в 1792 (голландский физик М. ван Марум). Хлор был получен в жидком состоянии в 1823 (М.Фарадей), кислород — в 1877 (швейцарский учёный Р. Пикте и французский учёный Л. П. Кальете), азот и окись углерода — в 1883 (З. Ф. Вроблевский и К.Ольшевский) водород — в 1898 (Дж.  Дьюар), гелий — в 1908 (Х. Камерлинг-Оннес).

Идеальный процесс сжижения газов изображен на рис. 2. 

Рис.2

Изобара 1—2 соответствует  охлаждению газа до начала конденсации,

изотерма 2—0 — конденсации  газа.

Площадь ниже 1—2—0 эквивалентна количеству теплоты, которое необходимо отвести от газа при его сжижении, а площадь внутри контура 1—2—0—3 (1—3 — изотермическое сжатие газа,

3—0 — адиабатическое  его расширение) характеризует термодинамически  минимальную работу Lmin, необходимую  для сжижения газа.

Lmin = T0(SГ — SЖ) — (JГ - JЖ),

где T0 — температура окружающей среды; SГ, SЖ — энтропии газа и жидкости; JГ, JЖ — теплосодержания (энтальпии) газа и жидкости.

Значения Lmin и действительно затрачиваемой работы LД для сжижения ряда газов даны в таблице.

Промышленное сжижение газа с критической  температурой ТК выше температуры окружающей среды (например, аммиак, хлор) осуществляется с помощью компрессора, где газ сжимается, и последующей конденсацией газа в теплообменниках, охлаждаемых водой или холодильным рассолом. Сжижения газа с ТК, которая значительно ниже температуры окружающей среды, производится методами глубокого охлаждения. Наиболее часто для сжижения газа. с низким ТК применяются холодильные циклы, основанные на дросселировании сжатого газа (использование Джоуля — Томсона эффекта), на расширении сжатого газа с производством внешней работы в детандере, на расширении газа из постоянного объёма без совершения внешней работы (метод теплового насоса). В лабораторной практике иногда используется каскадный метод охлаждения (сжижения).

Графическое изображение и схема дроссельного цикла сжижения газа дана на рис. 3.

После сжатия в компрессоре (1—2) газ последовательно  охлаждается в теплообменниках (2—3—4) и затем расширяется (дросселируется) в вентиле (4—5). При этом часть  газа сжижается и скапливается в  сборнике, а несжижившийся газ  направляется в теплообменники и охлаждает свежие порции сжатого газа. Для сжижения газа по циклу с дросселированием необходимо, чтобы температура сжатого газа перед входом в основной теплообменник T3 была ниже температуры инверсионной точки. Для этого и служит теплообменник с посторонним холодильным агентом T2. Если температура инверсионной точки газа лежит выше комнатной (азот, аргон, кислород), то схема принципиально работоспособна и без теплообменников T1 и T2. Применение посторонних хладагентов в этих случаях имеет целью повышение выхода жидкости. Если же температура инверсионной точки газа ниже комнатной, то теплообменник с посторонним хладагентом обязателен. Например, при сжижении водорода методом дросселирования в качестве постороннего хладагента используется жидкий азот, при сжижении гелия — жидкий водород.

Подвергаемые сжижению газы должны очищаться от паров воды, масла и др. примесей (например, воздух — от углекислоты, водород — от воздуха), которые при охлаждении могут затвердеть и закупорить теплообменную аппаратуру. Поэтому узел очистки газа от посторонних примесей — необходимая часть установок сжижения газа.

Значения  температуры кипения Ткип (при 760 мм. рт. ст.), критической температуры  ТК, минимальной Lmin и действительной LД работ сжижения некоторых газов: