глава 1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ О способАХ получения конденсированных систем
1.1 Конденсация
Конденсация (от лат. condensation – уплотнение, сгущение) – это переход вещества вследствие его охлаждения или сжатия из газообразного состояния в конденсированное (жидкое или твердое). Конденсация пара возможна только при температурах ниже критической для данного вещества. Конденсация, как и обратный ей процесс – испарение, относится к фазовым переходам I рода (см. в главе 4 о фазовых переходах). При конденсации выделяется тоже количество теплоты, которое было затрачено на испарение сконденсировавшегося вещества. Дождь, снег, роса, иней – следствия конденсации водяного пара в атмосфере. Конденсация широко применяется в энергетике, в химической технологии, в холодильной и криогенной технике и т. д. В технике конденсация обычно осуществляется на охлаждаемых поверхностях. Известны два режима поверхностной конденсации: пленочный и капельный. Первый наблюдается при конденсации на смачиваемой поверхности и характеризуется образованием сплошной пленки конденсата. На несмачиваемых поверхностях конденсат образуется в виде отдельных капель. При капельной конденсации интенсивность теплообмена (отводы теплоты к поверхности охлаждения) значительно выше, чем при пленочной, т. к. сплошная пленка конденсата затрудняет теплообмен.
Скорость поверхностной конденсации тем выше, чем ниже температура поверхности по сравнению с температурой насыщения пара при заданном давлении. Наличие в объеме наряду с паром другого газа уменьшает скорость поверхностной конденсации, т. к. газ затрудняет поступление пара к поверхности охлаждения. В присутствии неконденсирующихся газов конденсация начинается при достижении паром у поверхности охлаждения парциального давления и температуры, соответствующих состоянию насыщения (точке росы).
Конденсация может происходить также внутри объема пара (парогазовой смеси). Для начала объемной конденсации пар должен быть заметно пересыщен. Мерой пересыщения служит отношение давления пара р к давлению насыщенного пара рs, находящегося в равновесии с жидкой или твердой фазой, имеющей плоскую поверхность. Пар пересыщен, если р/рs >1, при р/рs = 1 пар насыщен. Степень пересыщения ε= р/рs , необходимая для начала конденсации, зависит от содержания в паре мельчайших пылинок (аэрозолей), которые являются готовыми центрами конденсации. Чем чище пар, тем выше должна быть начальная степень пересыщения. Зародышами, или центрами, конденсации могут служить также электрически заряженные частицы, в частности ионизированные атомы, присутствующие в паре.
Итак, конденсация газа возможна только при температурах ниже критической для данного вещества. В температурном интервале между критической точкой и тройной точкой конденсация происходит в жидкую фазу, и обратным процессом является испарение или кипение жидкости (парообразование). Ниже тройной точки конденсация происходит в кристаллическую фазу, и обратным процессом является сублимация.
Равновесная конденсация газа возможна только в присутствии жидкой или кристаллической фазы. При заданной температуре конденсация происходит при строго определенном давлении рS (давление насыщенных паров) и сопровождается выделением теплоты L, равной теплоте парообразования или сублимации. Обе величины рSи L зависят от температуры и связаны уравнением Клайперона – Клаузиуса (см. формулу 215).
В отсутствие конденсированной фазы и посторонних центров конденсации равновесная конденсация невозможна из-за различия в давлениях насыщенных паров над плоской границей раздела фаз и искривленной поверхностью маленьких капелек жидкости или кристалликов. В таком случае может быть достигнуто значительное пересыщение паров (например, сравнительно легко достигается 5–6-кратное пересыщение водяных паров). Обычно начало конденсации облегчается за счет посторонних центров конденсации в виде пылинок, загрязнений на стенках сосуда или ионов. Последний случай особенно важен (на нем основано действие камера Вильсона).
Полная молекулярно-статистическая теория конденсации отсутствует. Первые общие результаты были получены Дж. Майером в его теории реальных газов, развивавшейся затем многими авторами. Наиболее корректное рассмотрение конденсации на этом пути достигнуто Б. Т. Гейликманом. В этих теориях конденсации газа появляется как следствие образования в газе значительного числа больших групп связанных молекул. В математическом аппарате теории это отражается в виде появления особенностей у те6рмодинамических функций системы при неограниченном увеличении числа частиц в ней. Теория правильно приводит к плоскому участку изотермы давления в области сосуществования двух фаз.
Необходимость наступления конденсации при соответствующих условиях вытекает также из теории жидкостей и газов, основанной на изучении радикальной функции распределения. Однако точность полученных здесь результатов пока очень невысока. Новый подход к проблеме конденсации был предложен Ч. Янгом и Ц. Ли. В их формулировке задача сводится к представлению большого статистического интеграла в функции z активности Ξ = Ξ(Т, V, z) и отыскании вещественных и положительных нулей zk этой функции при неограниченном возрастании размеров системы.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
