КАВИТАЦИЯ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ НЕРАВНОВЕСНОСТИ ЖИДКОСТИ

КАВИТАЦИЯ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ НЕРАВНОВЕСНОСТИ ЖИДКОСТИ

Авторы публикации

Рубрика

Технические науки

Просмотры

61

Журнал

Журнал «Научный лидер» выпуск # 44 (89), октябрь ‘22

Дата публикации 25.10.2022

Поделиться

Целью изучения неравновесной термодинамики является исследование необратимых термодинамических процессов. Гидродинамическая кавитация играет большую роль в этой ветви науки. В статье рассмотрены технологические процессы, где имеет место кавитация, порядок их протекания, и изложены основные положения о фазовых переходах.

Большой вклад в формирование нового мира приносит наука, в особенности термодинамика – раздел физики, который исследует общие характеристики макроскопических систем. Одним из перспективных направлений интенсификации технологических процессов считается употребление термодинамически неравновесного состояния жидкой среды. 

Неравновесная термодинамика – это определенный раздел, который изучает структуры вне состояния равновесия. Благодаря указанному ответвлению физики исследуются необратимые процессы. Данный раздел абсолютно актуален, потому что природные явления изначально находятся вдали от термодинамического равновесия [11].

При переходе указанной системы в обратное состояние, появляется новая фаза в виде определенной неоднородности. Она может быть продемонстрирована пузырьками пара в несжимаемой жидкости или каплями конденсата во влажной среде. В окрестности неоднородной части, термодинамическая неравновесность одной из упомянутых выше фаз обуславливает протекание интенсивных работ, касающихся массообмена, и возникновение полей сильного давления. Последнее как раз и считается базой для создания новейших процессов [7].

Кавитация образуется вследствие локального снижения давления до значений давления насыщенного пара при соответствующих условиях. Только благодаря ей в мире появляются новые технологические процессы. Самые эффективные методы осуществления кавитационной обработки жидкостей: сахарная, химическая, целлюлозно-бумажная и иные направления промышленности. [13]

Помимо указанного кавитация – распространенный процесс в технологической работе. Например, в дегазации, эмульгировании диспергировании. 

Дегазация – это устранение вредных растворенных газов или захваченных пузырьков из оборудований и веществ. Дегазация же жидкости – работа по удалению указанных невидимых объектов (отдельных или всех сразу) из какого-либо раствора [6]. 

Эмульгирование – это технологический процесс, который даёт возможность миксовать две и более несмешивающиеся жидкости. Хорошим примером служит растительное масло и вода. Цель указанного процесса: приобретение однородной эмульсии, которая не способна расслаиваться спустя огромное количество времени. Для данного необходимо произвести диспергирование растворов до состояния небольших капель. Далее, в одну из миксовых жидкостей нужно внедрить эмульгатор, который смесь сделает стабильной. Этот процесс и позволит массе не расслаиваться [9].

Диспергирование – это тонкое измельчение твёрдых тел или жидкостей, в результате чего получают порошки, суспензии, эмульсии. При указанном процессе осуществляется их механическая трансформация. Они начинают разрушаться [4].

Для того, чтобы измельчить жидкость, в основном пользуются гомогенизаторами и мешалками пропеллерного или турбинного типа. Последние оборудования должны обладать высокой скоростью.

Гомогенизатор используется различных видов [2]:

- механический РПГ – ножевой агрегат, который перемешивает растворы. Лезвия способны разгоняться как на несколько десятков оборотов в минуту (фризер), так и на столько же тысяч (лабораторные гомогенизаторы биологических проб);

- ультразвуковой. Данный агрегат обеспечивает разделение и смешение жидких фаз за счёт кавитации. Именно такие оборудования употребляются для одноименного процесса смесей жидкостей. Также они используются в ультразвуковых системах увлажнения воздуха, генератора дыма; 

- агрегаты с увеличенным давлением – поршневые насосы. Они продавливают гомогенизируемый продукт под высоким давлением сквозь зазор, который располагается под надзором. 

Следующий агрегат – пропеллерная мешалка или винтовая. Бывает трёх видов: с червячным мотор-редуктором; с соосно-цилиндрическим; работает напрямую от электрического двигателя [12].

Выглядят они следующим образом [12]:

Устройство состоит из узла, который перемешивает жидкости. Лопасти агрегата изогнуты наподобие винта. Именно это даёт возможность жидкости в процессе смешивания перемещаться не только по горизонтали, но и по вертикали. Благодаря необычным составляющим агрегата, мешалка способна оснащать полноценным перемещением жидкой среды в сосуде, при этом затрачивая минимум механической энергии [12].

Рисунок 1. Пропеллерная мешалка

Основные функции указанного оборудования:

- растворять и трансформировать в эмульсии разнообразные разновидности по вязкости жидкости;

- поднимать и взмучивать твердый осадок в воде или иных прозрачных подобных веществах;

- миксовать материалы из волокна;

- оптимизировать параметры температуры в растворе;

- увеличивать скорость и продуктивность теплообмена.

Турбинная мешалка – это быстроходный тип устройства. Имеет две разновидности: открытый и закрытый. По рабочему процессу данный агрегат может напомнить центробежный насос. Круговое движение лопаток передаёт раствору мощное радиальное течение, которое обеспечивает полную циркуляцию всего объёма миксового компонента. Их предназначение [10]:

- растворение, трансформация эмульсий в жидкие вещества. При этом они должны иметь одинаковую или различную плотность;

- распределение взвеси частиц из волокна с несерьезным содержанием массы (до 5 %);

- взмучивание частично твёрдых больших крупинок (до 1,5 мм) в весомой концентрации (60 %).

Подробнее о том, как выглядит турбинная мешалка: привод оборудования; корпус подшипника; вал; устройство, которое перемешивает (импеллер) [10].

Рисунок 2. Турбинная мешалка

Перейдем к термодинамическим условиям фазовых переходов. В особенности разберем неравномерность жидкостей. Для начала следует обратить внимание на разновидности агрегатных состояний простых систем. Они бывают твердые, жидкие и газовые.

Существует три линии фазовых превращений [3]:

- испарение – I;

- плавление – II;

- сублимация – III.

Они все продемонстрированы на диаграмме, по которой реально проследить переход тела из одного состояния в другое.

Вообще, фазами системы именуются области, которые ограничены поверхностями раздела. На линиях подобных трансформаций существует однозначная зависимость между давлением и температурой. Указанные на диаграмме кривые пересекаются в точке, где вещество одновременно располагается в трех агрегатных состояниях [8]. 

График 1. Фазовая диаграмма

Энергетической границей между жидкостью и паром считается теплота испарения. А вот между твёрдым телом и водяным веществом – высокая температура плавления. Оба указанных процесса происходят при одинаковой t. Это нормальное состояние фаз. Но что будет, если случится необратимый (неравновесный) процесс?

Диссипативная структура характеризуется изменением однотипности, постоянными выборами и корреляциями в макроскопических масштабах. Одна из особенностей сложного поведения – это способность осуществлять переходы между определенными режимами. Фазовые циркуляции трансформируют структуру в пространстве. Большая упорядоченность турбулентного течения происходит в замене молекулярной передачи импульса от слоя к подобному объекту соответствующим кооперативным процессом. То есть возникает вязкость в веществе [5].

При переходе к турбулентности структура течения становится сложной, флуктуации – отклонения от осредненного движения – увеличиваются. Быстро возрастают продуктивные вязкость и теплопроводность. Диссипативные системы приводят к необратимым процессам. Простейшим их примером служат структуры с трением. Механика жидких сред оказалась областью, где диссипативные процессы играют решающую роль. При макроскопическом описании систем употребляют такие коллективные переменные, как температура (Т), концентрация (с), давление, конвективная скорость. Уравнения, управляющие поведением этих переменных, неинвариантны относительно обращения времени [5]. 

Для неизолированных систем, обменивающихся с внешней средой энергией и веществом, изменение энтропии представляет собой сумму двух членов (уравнения термодинамической неравномерности жидкости) [5]:

                                                  

                     

Важнейшее физическое условие возникновения упорядоченного состояния в неравновесных системах заключается в согласованности поведения молекул. Формирование структур при необратимых процессах связано с фазовым переходом при достижении пороговых значений. Например, берется лед, вода или пар, создается неравновесная ситуация с помощью градиентов температуры или давления, жидкость начинает течь сначала ламинарно, а затем, при достижении определенного числа Рейнольдса, турбулентно. Предпосылкой для формирования упорядоченных структур в открытых системах является существование определенного соотношения между производством энтропии и обменом энтропией со средой [1].

Современная физика исследует также системы, обладающие фазовыми переходами третьего или более высокого рода. В последнее время широкое распространение получило понятие квантовый фазовый переход, то есть фазовый переход, управляемый не классическими тепловыми флуктуациями, а квантовыми, которые существуют даже при абсолютном нуле температур.

Список литературы

  1. Агеев, Е. П. Неравновесная термодинамика в вопросах и ответах / Е. П. Агеев. – М., 2005. – 49 с.
  2. Акроникс [Электронный ресурс] / https://www.arkronix.ru : Гомогенизатор: устройство аппарата и сферы его применения. – 2022. – Режим доступа: https://www.arkronix.ru/blog/gomogenizator_ustroystvo_apparata_i_sfery_ego_primeneniya/ - дата доступа: 22.10.2022.
  3. Белорусский государственный медицинский университет [Электронный ресурс] / https://www.bsmu.by : Термодинамика фазовых превращений. Однокомпонентные системы. – Режим доступа: https://www.bsmu.by/downloads/kafedri/k_obschim/stud/2017-2/l4.pdf - Дата доступа: 22.10.2022.
  4. Большая советская энциклопедия [Электронный ресурс] / https://bse.slovaronline.com : Диспергирование. – Режим доступа: https://bse.slovaronline.com/11856-DISPERGIROVANIE - Дата доступа: 22.10.2022.
  5. Ванаг, В. К. Диссипативные структуры в реакционно-диффузных системах. Эксперимент и теория / В. К. Ванаг. – М. : РХД, 2008. – 300 с.
  6. Дословно [Электронный ресурс] / https://дословно.рф : Значение слова дегазация. – Режим доступа: https://дословно.рф/значение/дегазация - Дата доступа: 22.10.2022
  7. Жоу, Д. Расширенная необратимая термодинамика / Д. Жоу. – М., 2006. – 145 с.
  8. Карапетьянц, М. Х. Химическая термодинамика / М. Х. Карапетьянц. – М. : Либроком, 2013. – 584 с.
  9. Магазин химических реактивов и лабораторного оборудования в Москве [Электронный ресурс] / https://pcgroup.ru : Эмульгирование – важный процесс для многих сфер производства. – 2017. – Режим доступа: https://pcgroup.ru/blog/emulgirovanie-vazhnyj-protsess-dlya-mnogih-sfer-proizvodstva/ - дата доступа: 22.10.2022.
  10. ТДКрасный октябрь [Электронный ресурс] / https://tdredoctober.com : Турбинная мешалка (МТЗ) (МТО). – 2022. – Режим доступа: https://tdredoctober.com/catalog/peremeshivajushhee-oborudovanie/meshalka-turbinnay.html - Дата доступа: 22.10.2022.
  11. Трусделл, К. Термодинамика для начинающих / К. Трусделл. – М., 1970. – 489 с.
  12. Тульские машины [Электронный ресурс] / https://tulmesh.ru : Пропеллерная мешалка. – Режим доступа: https://tulmesh.ru/propellernyie-meshalki/ - Дата доступа: 22.10.2022.
  13. Научная электронная библиотека «КиберЛенинка» [Электронный ресурс] / https://cyberleninka.ru: Сёма А.В., Бондаренко А.П. Производство строительных материалов с использованием эффекта кавитации для активации цементных вяжущих веществ – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/proizvodstvo-stroitelnyh-materialov-s-ispolzovaniem-effekta-kavitatsii-dlya-aktivatsii-tsementnyh-vyazhuschih-veschestv/viewer - Дата доступа: 22.10.2022.
Справка о публикации и препринт статьи
предоставляется сразу после оплаты
Прием материалов
c по
Остался последний день
Размещение электронной версии
Загрузка материалов в elibrary
Публикация за 24 часа
Узнать подробнее
Акция
Cкидка 20% на размещение статьи, начиная со второй
Бонусная программа
Узнать подробнее