властивості аерозолів
Властивості аерозолів визначаються не тільки станом і властивостями дисперсної фази, т. Е. Самих частинок, а й взаємодією їх з дисперсійним середовищем. Остання характеризується природою газу, його тиском, температурою і наявністю їх градієнтів, а також швидкості течії і турбулентності.
Нескінченна різноманітність властивостей аерозолів зумовлюється поєднанням деяких факторів. До них відносяться хімічна природа аерозольних часток, їх форма, будова і розмір. Останній може змінюватися в дуже широких межах - від декількох ангстрем до доль міліметра. Інакше кажучи, кількість молекул в аерозольній частці може варіюватися в інтервалі від декількох штук до порядку 1018.
Нижня межа її величини досить очевидна. Справді, частка дисперсної фази повинна містити хоча б кілька молекул: сукупність мономолекулярних частинок - це газ, а не аерозоль. Багато гази і пари містять асоціати молекул - димери, тримери, тетрамери т. Д. Т. Е. Об'єднання молекул в групи, утримувані міжмолекулярними (ван-дер-ваальсовими) силами. Критерієм тут служить не розмір, а якісну відмінність поведінки газових молекул і аерозольних часток.
Перші при зіткненні з твердими поверхнями відскакують від них. З аерозольними частками таке явище не спостерігається. Вони не відскакують від поверхні при будь-якому зіткненні. При цьому здатність до стовідсоткового прилипання залежить не тільки від числа молекул в кожній з них, а й від їх природи. Доля частки після зіткнення з поверхнею - відскік або захоплення, можливість або неможливість десорбції - визначається, по-перше, співвідношенням енергії взаємодії цих двох сторін і теплового руху, а по-друге, здатністю частки «погасити» в собі енергію удару. Остання веде до необоротного прилипання. Вона з'являється тоді, коли частинки досягають розміру не менше 6 ... 10 молекул. Цю величину можна прийняти за нижню межу розмірів аерозольних часток. Їх поведінка зі збільшенням даного показника змінюється. Великі з них, що містять 109 і більше частинок, в певних умовах можуть при зіткненні відскакувати від поверхні. Для них здатність до прилипання вже не є критерієм приналежності до аерозолів. Відскік великих частинок можливий. По-перше, тому, що енергія їх удару об поверхню може на багато порядків перевищувати енергію теплового руху, і вона не поглинається в повній мірі молекулами частки. Існує і друга причина пояснення даного явища. Великі частки не встигають загальмуватися середовищем при наближенні до поверхні. Нарешті, для них слабшає енергія молекулярного взаємодії зі стінкою - адгезія. Це пояснюється тим, що поверхня частинки зростає повільніше, ніж її маса, і в поверхневому взаємодії великої частки беруть участь не всі її молекули, а лише невелика її частина.
Розглянемо питання про те, де ж проходить верхня межа розмірів частинок.
Як говорилося вище, аерозоль являє собою суспензію твердих або рідких частинок в газі. Додамо тепер, що до них відносяться такі, в яких частинки переміщаються в основному разом з потоками містить їх газу, т. Е. Складають з ним досить стійку систему.
Зміщуватися щодо середовища частинки можуть за рахунок впливу гравітації, електричного поля, інерції та інших сил. Наприклад, при криволінійному русі струму аерозолю траєкторія частинок внаслідок інерції відхиляється від лінії струму газу. Так, якщо в середовищі існує турбулентність, т. Е. Рух завіхрённое, то вихори будуть захоплювати частинки. При цьому сили інерції викидають їх з одного завихрення в інше. Співвідношення між цими двома явищами визначається розміром і масою частинок. Його можна використовувати для визначення верхньої межі їх розмірів. Аерозоль існує до тих пір, поки частки, зважені в газі, рухаються переважно разом з ним. Виходячи з цієї умови, що якщо швидкість їх переміщення щодо середовища за рахунок перекидань не більш, ніж при перенесенні середовищем, то таку частку можна вважати аерозольної. Дане визначення умовно. Це пояснюється тим, що співвідношення між перебросом і захопленням частинок в потоці газу залежить не тільки від їх розміру. На даний показник також істотно впливає інтенсивність турбулентності. Для останньої, яка існує при помірному вітрі в приземному шарі атмосфери, умові рівності швидкостей переносу за рахунок захоплення і перекидання для речовини з щільністю води розмір сферичної частинки відповідає 40 ... 60 мкм, т. Е. 4 × 10-5 м, серед яких найбільші можуть вести себе як аерозольні. Це спостерігається в більш щільною і турбулентної атмосфері.
Як відомо, під час обробки аерозолями їх частки переносяться разом з газовим середовищем і можуть зміщуватися щодо неї.
Розглянемо механіку цього процесу.
Припустимо, що на частку діє сила тяжіння. При цьому починається обтікання її середовищем, що супроводжується гідродинамічним опором, сила якого визначається за формулою, виведеною студентом Оксфордського університету Дж. Стоксом:
де: F - сила гідродинамічного опору; a - радіус частинки; V - швидкість її руху; η - коефіцієнт внутрішнього тертя, [m / lt].
У нашому прикладі осадження частинок відбувається під дією сили тяжіння. Згідно механіці аерозолів, воно повинно бути рівноприскореному. Як говорилося раніше, частка переміщається в середовищі (вузький, газової або рідкої) під дією постійної сили, в даному випадку, сили тяжіння. Вона швидко набирає швидкість під час цього руху, яке стає рівномірним за рахунок врівноваження сили тяжіння силою опору.
З умови їх рівності можна визначити швидкість, з якою буде осідати сферична частинка, що має щільність ρ, [m / l3] [6]:
Наближення до швидкості стаціонарного руху визначається за формулою:
де: τ - час механічної релаксації частинок [6].
В діапазоні аерозолів ця величина дуже мала: при одиничної щільності вона становить всього 10-6 с для частинки розміром 1 мкм. Таким чином, час досягнення нею швидкості, що дорівнює 90% стаціонарної, приблизно дорівнює 2 мкс після початку падіння. Це дозволяє зробити висновок про те, що під дією постійної сили аерозольні частинки завжди роблять рівномірний рух. Однак, воно не завжди підпорядковується рівнянню Стокса. Вірним буде подання газового середовища як суцільний рідини лише на відстанях, багато великих довжини вільного пробігу газових молекул λ - середньої відстані, яку проходить однією з них до зіткнення з іншою. В повітрі при атмосферному тиску λ≈6 × 10-8 м. Іноді розмір часток буває порівняємо з даною величиною. У такому випадку рівняння Стокса вимагає поправок. В іншому випадку починає діяти закон свободномолекулярного руху. Це відбувається тоді, коли частка стає значно менше довжини вільного пробігу. При цьому вона знаходиться в стані важкої молекули. Воно суттєво відрізняється від становища обтічних рідиною тел. Рух частинок ускладнюється за рахунок зіткнення з молекулами газу. Таким чином, можна зробити висновок про те, що від розміру і довжини вільного пробігу частинок істотно залежить їх поведінку в певному середовищі. Відношення між цими двома величинами називається числом Кнудсена, яке, поряд з абсолютною швидкістю, дуже впливає на закон опору.
Слід зазначити, що формула Стокса підтверджується тільки на проміжку, на якому швидкість руху частинки менше цього показника для газових молекул (звуку в середовищі). Їхнє ставлення називається числом Маха (Ма).
Також необхідно звернути увагу на те, що при знаходженні сили опору враховується тільки робота проти вузьких сил середовища. При цьому витратою енергії на подолання її інерції нехтують. З цього випливає, що формула Стокса - наближене рішення рівняння течії в'язкої рідини (рівняння Нав'є-Стокса). Співвідношення між роллю в'язких і інерційних сил характеризується безрозмірним числом Рейнольдса:
де: ρГ - щільність в'язкої середовища (газу). при Re<1 инерционными эффектами можно пренебречь.
Властивості аерозолів - 4.0 out of 5 based on 1 vote