Конвенции и кодексы. 1.1. СОЛАС 74 (стр. 7 )

Минимальную  площадь поверхности среди тел равного объёма  имеет шар, поэтому  при отсутствии или же при  пренебрежительно малом действии  внешних сил,  силы поверхностного натяжения  придадут  объёму жидкости форму шара. Свойство жидкости сокращать площадь свободной поверхности во многих явлениях выглядит таким образом, будто  жидкость покрыта тонкой упругой пленкой, стремящейся к  сокращению.

Силой поверхностного натяжения называют силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно к линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится  сократить её до минимальной площади.

.

Отношение модуля силы  поверхностного натяжения, действующей на границу поверхностного слоя некоторой длиной l, к этой длине есть величина постоянная.

Эту величину называют  коэффициентом  поверхностного натяжения.( )

Выражается  коэффициент поверхностного натяжения в  ньютонах на метр (Н/м). Силы поверхностного натяжения различны у разных жидкостей.

Если  силы притяжения между  молекулами самой жидкости больше, чем  силы притяжения между молекулами поверхностного слоя жидкости и окружающей средой ( например, воздухом),  то для жидкости свойственно  удерживать поверхность раздела сред с наименьшей площадью при данных условиях (сфера, мениск).

Силы поверхностного натяжения зависят не только от свойств самой жидкости, но и от  свойств вещества, с поверхностью которого происходит соприкосновение жидкости. Поскольку силы поверхностного натяжения большинства нефтепродуктов составляют примерно половину от величины силы поверхностного натяжения воды, то нефтепродукты при соприкосновении с водой будут быстро распределяться по поверхности воды, образуя тонкую пленку.

На границе соприкосновения  жидкости и твердого тела силы взаимодействия молекул твердого тела  обычно превышают силы поверхностного натяжения самой жидкости, поэтому жидкость стремится распределиться равномерно по твердой поверхности, т. е смачивает твердую поверхность. Если же силы притяжения молекул твердого тела меньше чем силы поверхностного натяжения жидкости,  то жидкость не смачивает  поверхность твердого тела.

4.10. Вязкость

Возможность  свободного перемещения молекул жидкости относительно друг друга обуславливает  текучесть жидкость. Поскольку каждая молекула имеет некоторый объём и  притягивается другими молекулами, при изменении их взаимного расположения будет возникать  силы сопротивления, которые называют силами внутреннего трения. Эти силы внутреннего трения препятствуют трансформации жидкости ( жидкость  обладает текучестью, но чтобы заставить жидкость течь по трубопроводу, необходимо затратить энергию на преодоление сил внутреннего трения). Мерой  сил внутреннего трения жидкости является  вязкость. Чем выше вязкость  тем более упругой или тягучей будет жидкость. С увеличением температуры увеличивается  кинетическая энергия молекул и уменьшается сила их взаимного притяжения – вязкость жидкости уменьшается.

Для определения вязкости жидкости существует много различных способов.

Наиболее известны:

Измерение вязкости в секундах по шкале Редвуда (Redwood) №1 или 2. – способ заключается в том, что измеряется время истечения 50 мл жидкости из сосуда через калиброванное отверстие. №1 используется для  жидкостей с пониженной вязкостью, №2 – для жидкостей с повышенной вязкостью.

Измерение вязкости по шкале Сейболт ( Saybolt) – почти то же самое, что и при использовании первого метода, с той лишь разницей, что используется 60 мл жидкости.

Измерение вязкости в градусах Энглера – определяется  соотношение  скорости истекания из пробника  жидкости, вязкость которой определяется, с временем истекания такого же количества воды.

Вязкость  динамическая (з)– определяет силу внутреннего трения жидкости выражается в  Па· с. Величина для измерения динамической вязкости называется Пуаз 1П = 0,1 Па·с, 1 сантиПуаз = 1 мПа· с

Вязкость кинематическая (н) – определяется отношением динамической вязкости к плотности жидкости (с) .

Кинематическая вязкость измеряется в  мІ/с, но более часто используется  величина  составляющая 10-4 от мІ/с, которая называется Стокс. 1 сантистокс = 10-6 мІ/с.

Для перевода вязкости из одних единиц измерения в другие существуют специальные таблицы.

4.11. Смена агрегатного состояния жидкости.

Изменение внутренней энергии вещества приводит к изменению его агрегатного состояния  Для жидкостей существуют два пути перехода в газообразное состояние:

Испарение; Кипение.

4.12. Испарение.

Неравномерное распределение кинетической энергии  теплового движения молекул приводит к тому, что при любой температуре  кинетическая энергия некоторых молекул жидкости может превышать потенциальную энергию межмолекулярного притяжения. Испарение –  процесс, при котором с поверхности  жидкости вылетают молекулы  кинетическая энергия которых превышает потенциальную энергию молекулярного взаимодействия. При испарении переход  жидкости в парообразное состояние, происходит с открытой, свободной поверхности, отделяющей жидкость от газа, например, с поверхности жидкости в открытом сосуде, с поверхности водоёма и т. д.

При испарении, молекулы, вылетевшие с поверхности жидкости, должны преодолеть силу притяжения соседних молекул, следовательно, совершить некоторую работу, а для этого им необходимо получить дополнительное количество теплоты, которую они получают из запаса внутренней энергии самой жидкости. Испарение сопровождается охлаждением жидкости.

Испарение происходит при ЛЮБОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ, но для каждой жидкости скорость испарения увеличивается с повышением температуры.

  t,°С

  перегретый пар 

точка кипения  жидкость + пар

  сухой насыщенный пар

  жидкость

точка плавления

  твёрдое вещество 

  подведенная теплота Q

Если испарение происходит в замкнутом сосуде,  температура во всех точках сосуда одинакова, но её величина ниже, чем температура кипения. В таком случае внутри сосуда достигается состояние равновесия между жидкостью и паром, и процесс испарения прекращается c  достижением давления насыщения, соответствующего температуре в сосуде.

Если же испарение происходит в открытом сосуде, равновесие не достигается практически никогда, а скорость испарения зависит от многих факторов. Обычно скорость испарения пропорциональна разности между давлением насыщенного пара при температуре испарения и действительным давлением пара над поверхностью жидкости.

Если же давление насыщенных паров жидкости и фактическое давление паров равны, испарения не происходит, а происходит обратный испарению процесс, который называется конденсацией.

Конденсация – переход вещества из газообразного или парообразного состояния в жидкое состояние.

Количество теплоты, которое надо сообщить жидкости, находящейся при данной температуре и фиксированном давлении, чтобы преобразовать её в пар, при тех же условиях, называется СКРЫТОЙ теплотой испарения (парообразования), r (Дж/кг)

Если к испаряющейся жидкости не подводить тепла извне, то жидкость охлаждается.

4.13. Насыщенный и ненасыщенный пар.

Как указывалось выше, испарение жидкости в закрытом сосуде  при неизменной температуре приводит к тому, что концентрация испаряющихся молекул постепенно увеличивается. Через некоторое время после начала процесса испарения  концентрация вещества  в газообразном состоянии  достигает такого значения, при котором  число молекул, возвращающихся в жидкость в единицу времени, становится равным  числу молекул, покидающих поверхность жидкости за такое же время. Устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации вещества.

Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром.

При сжатии насыщенного пара  концентрация  молекул пара увеличивается, равновесие между  процессами испарения и конденсации нарушается, и часть пара превращается в жидкость.

При расширении  насыщенного пара концентрация его молекул уменьшается, и часть образовавшейся жидкости опять переходит в парообразное состояние.

Таким образом, концентрация насыщенного пара  остается постоянной независимо от  объёма. Согласно уравнению состояния идеального газа  давление газа (p) пропорционально числу молекул (n) ( концентрации пара) и температуре (T):

 

где  k – постоянная Больцмана ≈ 1,38 ∙10-23 Дж/К

Т – абсолютная температура в градусах Кельвина (t° C + 273,15)

Интенсивность  процесса испарения увеличивается  с повышением температуры жидкости

Пар, находящийся  при давлении ниже давления насыщенного пара,  называется ненасыщенным паром.

4.14. Давление  насыщенного пара

Так как давление газа ( пара) определяется числом соударений  молекул  газа со стенками сосуда, то в момент насыщения  давление газа будет наибольшим, так как число молекул вещества, находящихся в паровом пространстве сосуда в данный момент, также будет наибольшим.

Давление  насыщенных паров беспримесного соединения зависит только от температуры, а давление паров смеси зависит от температуры её компонентов, объёма газового пространства, в котором происходит её испарение, или иными словами оно зависит от отношения объёмного содержания газа в жидкости.

Истинное давление паров (ИДП) или давление насыщенных паров есть наибольшее давление паров для данной жидкости при любой заданной температуре.