Физика сплошных сред

Представления об особой, исключительной роли воды во множестве процессов, происходящих в природе, возникли еще в древности и затем часто высказывались на всех этапах развития естественных наук. В прошлом веке, когда геология оформилась как самостоятельная ветвь естествознания и начала брать на вооружение физико-химические и математические методы исследования, геологическую деятельность воды стали рассматривать как двоякую химическую и механическую. Условность такого разграничения была очевидна с самого начала тем не менее до сих пор продолжают появляться работы, в которых механические свойства горных пород анализируются без учета физико-химического влияния среды даже в тех случаях, когда это влияние давно обнаружено. Это связано с тем, что интеграция наук о Земле с различными разделами других естественных наук происходит неравномерно. Так, химическая термодинамика проникла в геологию намного раньше, чем кинетика механика идеализированных сплошных сред опередила физику реального, дефектного твердого тела и т. д. Однако такая очередность, в какой-то мере отражающая возраст отдельных областей фундаментальных наук, никоим образом не соответствует степени их важности для понимания природных процессов. К числу разделов науки, внедрение которых в геологию началось совсем недавно, относится физи-ко-химическая механика твердых тел и дисперсных систем, рассматривающая механические свойства в их взаимосвязи с физико-химическими процессами, протекающими на межфазных границах. [c.84]

Метод описания ФХС, который будет изложен в настоящей главе, является в некотором смысле противоположным тому формальному подходу, который обсуждался выше. Здесь исходным моментом решения задачи служит внутренняя структура системы. Поведение ФХС представляется как следствие ее внутренних физико-химических процессов и явлений, для описания которых привлекаются фундаментальные законы термодинамики и механики сплошной среды. В главе будут рассмотрены характерные схемы реализации этого подхода на примерах сложных физикохимических систем, построение адекватных математических описаний которых обычно вызывает затруднения. В частности, будут сформулированы принципы построения математической модели химических, тепловых и диффузионных процессов, протекающих в полидисперсных ФХС (на примере гетерофазной полимеризации) будет изложен метод построения кинетической модели псев-доожиженного (кипящего) слоя будет рассмотрен один из подходов к расчету поля скоростей движения смеси газа с твердыми частицами в аппарате фонтанирующего слоя сложной конфигурации на основе модели взаимопроникающих континуумов будет исследован процесс смешения высокодисперсных материалов с вязкими жидкостями в центробежных (ротационных) смесителях. [c.134]

Разделы физики (и примыкающие разделы химии), исходящие из модели вещества как среды, параметры которых меняются непрерывно, объединяют названием физика сплошных сред. [c.42]

При изложении вопросов, связанных с движением потоков, удобно пользоваться термином частица жидкости . Однако не так-то просто определить понятие частица движущейся жидкости . Это отнюдь не молекула. Гидравлика — одна из отраслей физики сплошных сред (см. раздел 3), и понятием молекула не пользуется. [c.41]

Напомним, что продольные звуковые волны называются так потому, что частицы жидкости совершают колебания вперед и назад по направ- тению движения волны, в данном случае вдоль оси X. Здесь понятие частица имеет тот смысл, который фигурирует в физике сплошных сред. Кроме продольных звуковых волн в жидкостях могут быть поперечные звуковые волны, о которых далее будет сказано отдельно. [c.65]

Гетерогенно-каталитический процесс как причинно-следственная система. Объект нашего исследования формализуется как сложная физико-химическая система (ФХС), под которой понимается многофазная, многокомпонентная, в общем случае неоднородная сплошная среда, распределенная в пространстве (в пределах рабочего объема аппарата) и переменная во времени, в каждой точке гомогенности которой и на границе раздела фаз имеет место перенос массы, импульса, энергии, момента импульса, заряда при наличии источников (стоков) этих субстанций [10]. [c.31]

ОПИСАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ МЕТОДАМИ МЕХАНИКИ СПЛОШНОЙ СРЕДЫ [c.134]

Каждый типовой процесс, составляющий отдельную единицу первой ступени иерархической структуры химического производства, в общем случае формализуется как физико-химическая система (ФХС) — многофазная многокомпонентная сплошная среда, распределенная в пространстве и переменная во времени, в каждой точке гомогенности которой и на границе раздела фаз происходит перенос вещества, энергии и импульса при наличии источников стоков) последних. [c.7]

На вход ФХС поступают потоки сплошной среды, характеризующиеся вектором и входных переменных, к которым можно отнести составы и температуру фаз, поступающих на физикохимическую переработку, давление, скорость, плотность, вязкость, характеристики дисперсности и т. п. В пределах ФХС входные переменные и претерпевают целенаправленное физико-химическое превращение в переменные у или, другими словами, вектор и под действием технологического оператора физико-химической системы преобразуется в вектор выходных переменных у [c.7]

При движении единичного включения в неограниченном объеме сплошной среды в последней наводятся соответствующие тензорные поля концентраций, температур, скоростей, давлений и других физико-химических характеристик. В реальной технологической аппаратуре объем сплошной фазы ограничен размерами аппарата, а движение элементов дисперсной фазы носит массовый характер. Это приводит (дуги 12—14) к деформации (искажению) выше упомянутых идеальных тензорных полей, наводи- [c.29]

Перейдем к краткому рассмотрению уравнений механики многофазной сплошной среды, а также некоторых уравнений статистической физики, составляющих основу для описания многих эффектов третьего и четвертого уровней для широкого класса физикохимических процессов, протекающих в многофазных многокомпонентных средах. [c.34]

Процесс эмульсионной полимеризации является характерным примером гетерофазного процесса, который в силу малых размеров частиц дисперсной фазы может рассматриваться как процесс физико-химического взаимодействия между отдельными взаимопроникающими континуумами сплошных сред (каплями мономера, частицами полимера, водной фазой). Уравнения сохранения массы такого многофазного многоскоростного континуума можно записать в виде [32—34] [c.147]

Приведенные примеры показывают, что метод структурного упрощения уравнений механики сплошной среды, отражающих протекание физико-химических процессов в системе, является весьма эффективным средством построения функциональных операторов ФХС. Однако широкое применение этого метода сдерживается, с одной стороны, сложностью реальных процессов и с другой — недостаточным развитием теории отдельных аспектов механики сплошной среды. В связи с этим представляет интерес рассмотреть третий подход к синтезу операторов ФХС, основанный на модельных представлениях о внутренней структуре процессов, происходящих в технологических аппаратах. [c.196]

Конкретный вид этих соотношений определяется законами физико-химической термодинамики, феноменологическими теориями газов и жидких растворов, законами механики твердого тела и деформируемой сплошной среды, электродинамики и т. п. Соот- [c.31]

Диаграмма связи диффузионных и релаксационных явлений в материале сополимера, полученная простым присоединением диаграммы связи реологической модели вязкоупругого состояния полимера к фрагменту диаграмм связи, отображающего диффузионные явления сплошной среды, представлена на рис. 4.4. Построенная диаграмма замкнута относительно преобразований энергии в ней, увязывает макроскопическое движение элементарного объема системы с физико-химическими характеристиками ее макроструктуры. Поэтому синтез уравнений системы по ее диаграмме приводит к замкнутой системе уравнений процесса набухания сополимера с учетом движения реальной сплошной среды и пере- [c.309]

Элементарные стадии, как и операции формования, базируются на теоретических положениях механики сплошных сред, в особенности гидромеханики, теории теплопередачи, реологии полимерных расплавов, механики твердого тела, и на основных закономерностях статистической теории смешения. Другим краеугольным камнем являются закономерности физики и химии полимеров. Как уже отмечалось выше, характеристики изделий можно улучшить, изменяя надмолекулярную структуру полимера. Очевидно, чтобы правильно использовать при конструировании изделий эту дополнительную степень свободы, обусловленную специфическими свойствами полимеров, необходимо ясно представить себе связь между их структурой и свойствами. [c.34]

В определении подчеркивается, что в гидравлике жидкость считается непрерывной или сплошной средой, в отличие от физики, рассматривающей жидкость как множество молекул и пустот между ними. Сплошной считается среда, свойства которой не меняются при бесконечном уменьшении объема. Заменяя реальную жидкость ее моделью в виде сплошной среды, мы не совершаем ошибки благодаря весьма малым размерам молекул (в одном кубическом микрометре содержится около 27 миллионов молекул). [c.6]

К четвертому уровню иерархической структуры относятся следующие эффекты. Каждый элемент дисперсной фазы при стесненном движении включений в ограниченном объеме сплошной среды оставляет в ней турбулентный след. Под действием главным образом сил Жуковского вихри от отдельных следов взаимодействуют друг с другом, вызывая турбулизацию всей сплошной фазы. Поверхность включений, находящихся в зоне взаимодействия турбулентных следов, охватывается вихрями сплошной фазы и вовлекается в турбулентное движение. Это сказывается на всей совокупности физико-химических эффектов третьего уровня иерархии. В частности, изменение траектории движения включений обусловливает возможность нх столкновения, коалесценции и, как следствие, перераспределение полей концентраций, температур и давлепия внутри элементов дисперсной фазы. Одновременно происходит гашение турбулентных пульсаций сплошной фазы за счет диссипации их энергии в теплоту, что вызывает изменение теплосодержания сплошной фазы. [c.107]

При движении единичного включения в неограниченном объеме сплошной среды в последней наводятся соответствующие тензорные поля концентраций, температур, скоростей, давлений и других физико-химических характеристик. В реальной технологической аппаратуре объем сплошной фазы ограничен размерами аппарата, а движение элементов дисперсной фазы носит массовый характер. Это приводит к деформации (искажению) упомянутых идеальных тензорных полей, наводимых отдельными включениями к деформации поля концентраций, деформации поля температур, деформации поля скоростей и т. д. Описанная совокупность явлений составляет существо сложного процесса, который называют эффектом стесненности. [c.107]

Таким образом, сила действия ударной волны на препятствие превосходит разность статических давлекий в V v раз. Беккер исследовал далее детальную структуру самого фронта волны, принимая,что явления теплопроводности и трения протекают обычным путем. Очевидно, что тогда градиенты давления и температуры во фронте волкы не могут стать бесконечно большими. После того как они достигнут определенной крутизны, теплопроводность и трение воспрепятствуют возникновению истинного разрыва ыежду свойствами газа по обе стороны фронта волны. Последгий приобретает конечную ширину. Расчет, основанный на физике сплошных сред, приводит к численным значениям ширины фронта, которые уже для малых [c.240]

Равновесные концентрации ОН и Н, приводимые в последних двух столбцах, несомненно, гораздо ниже концентраций, существующих в самой зоне реакции, и надо думать, что концентрации в последней очень высоки. Это, вместе с чрезвычайно малой шириной зоны, которая обеспечивает быструю передачу энергии, дает некоторое представление об исключительно большой скорости химической реакции. В этой связи интересно напохмнить приведенные выше соображения о непригодности физики сплошных сред для описания микроскопической структуры фронта волны даже в обычных ударных волнах. Весь процесс передачи энергии в волне представляется результатом сравнительно малого числа молекулярных столкновений. [c.257]

Обратимся к макроскопической физике. Большой ее раздел занимается макроскопическими телами, практически игнорируя их атомную дискретную структуру. Конечно, здесь мы снова имеем дело с абстракцией Называют эту часть макроскопической физики физикой сплошной среды. Гидродинамика, теория упругости, макроскопическая электродинамика — примеры наук, рассматривающих физические тела как сплошные. В подавляющем большинстве случаев свойства тел неоднородны — характеристики макроскопических тел являются функциями координат (функциями точки). Например, удельное сопротивление р неоднородного проводника зависит от координаты г, т. е. р = р(г). Что в данном случае нужно понимать под г Конечно, необходимо быть последовательным если считаешь тело сплошной средой, считай Следовательно, г — просто радиус-вектор с произвольным значением проекций (координат) х, у и г. Однако последовательность требует большего. Надо принять, что элемент объема = д,х(1удг включает в себя достаточное количество атомов тела. Это позволяет считать У элементом объема макросистемы ). Кроме того, чтобы не вступить в противоречие, следует рассматривать только функции, которые почти не меняются на межатомных расстояниях. Так, распространение видимого света, длина волны которого в десятки тысяч раз превышает атомные размеры, можно исследовать в рамках электродинамики сплошных сред, а для рассмотрения рассеяния рентгеновских [c.287]

Книга представляет интерес для широкого круга читателей, занимаюш ихся термодинамикой, физикой сплошных сред, физической химией, а также для преподавателей, аспирантов и студентов старших курсов физических и химических факультетов университетов. [c.2]

Принцип физичности предполагает применимость физических законов, закономерностей для вскрытия причинно-следственных связей существования и функционирования ГА-техно-логии. Действительно, ГА-технология является продуктом системы знаний машиноведения, физики, механики сплошных сред, акустики, химии, химической технологии и ряда других. Однако все эти области базируются на фундаментальных физических законах. Специфические свойства системы в данном случае есть проявление эффектов 2-го порядка малости. Принцип физичности включает несколько постулатов [c.12]

Специфика объектов химической технологии как ФХС накладывает свой отпечаток на рабочий аппарат диаграмм связи. Для описания характера совмещения и взаимодействия потоков субстанций в локальном объеме ФХС наряду с ранее определенными узловыми структурами О и 1 вводятся новые структуры слияния 01 и 02, играющие важную роль при топологическом описании сложных объектов химической технологии. Определяются кодовые диаграммы основных типов структур потоков и физико-хими-ческих явлений в гетерофазных ФХС. Класс энергетических элементов и диаграмм связи расширен за счет введения псевдоэнергетических элементов и топологических структур связп, что позволило существенно расширить сферу применения топологического метода описания ФХС. Так, введение новых инфинитезимальных операторных элементов позволяет наглядно и компактно представить весь сложный комплекс физико-химических явлений, происходящих при бесконечно малых преобразованиях точек сплошной среды. Последнее открывает широкие перспективы для топологического описания систем с распределенными параметрами. Наконец, для учета информации о начальных и граничных условиях и ее использования при топологическом описании ФХС предложен конструктивный метод представления геометрической информации в диаграммной форме и преобразования ее к аналитическому виду с помощью специальных логико-алгебраических операций (ЛАО). [c.102]

Приведены примеры топологического описания отдельных фрагментов гетерофазных ФХС, гидравлических систем и некоторых моделей механики сплошной среды. Описаны два подхода к построению связных диаграмм гидравлических систем. В основе первого подхода лежит аналогия между законами движения твердого тела и деформируемого материального континуума. При этом конечный объем деформируемой сплошной среды рассматривается как единое целое, для которого справедливы те же законы динамики, что и для твердого недеформируемого тела. Второй подход основан на использовании понятия псевдоэнергетических переменных, инфинитезимальных операторных элементов и обобщенных диаграмм связи баланса субстанции произвольного вида. Основное достоинство этого подхода состоит в наглядности представления структуры физико-химических явлений, происходящих в элементарном объеме сплошной среды. Последнее особенно важно при описании сложных ФХС, к которым относятся многофазные многокомпонентные системы, где протекают процессы тепло- и массопереноса совместно с химическими реакциями и явлениями электрической и магнитной природы. [c.182]

Для преодоления противоречий в существе дискретности деформируемого тела и использовании математического аппарата теории сплошной среды необходимо воспользоваться понятием микрореологией, которая рассматривает взаимосвязи и деформации отдельных частиц, слагающих дисперсное тело, с учетом его структуры и строения. Если в дисперсных системах в процессе их переработки проявляются физические и химические явления, то приходится вводить уравнения, так называемой, метареалогии. Она учитывает, например возможные эффекты спекания, цементации и дру1их физико-химических явлений твердофазного [c.37]

Раздел современной коллоидной химии, изучающий эти свойства, называется физико-химической механикой. Эта дисциплина изучает зависимость реологии дисперсных систем и материалов от физико-химических явлений на границах раздела фаз (поверхностных явлений), от свойств поверхностных слоев. Основная задача этого большого направления, возникшего на стыке механики сплошных сред, гидродинамики, физики твердого тела, физической и коллоидной химии — предсказание изменения свойств материала под воздействием деформирующих усилий и получение новых материалов с заданными механическими свойствами на базе химического строения и физико-химических параметров веществ, образующих эти материалы. Развитие этой отрасли, в основном связанное с работами Ребиндера [12] и его школы (Сегаловой, Щукина, Трапезникова и других ученых ) создает научные основы важнейших производственных процессов. [c.263]

Наиболее простой моделью является та, в которой конденсат трактуется как сплошная среда, т. е. рассматривается макроскопически, без углубления в детали его внутренней структуры и структуры поверхности, ограничивающей тело. Такой подход, свойственный классической физике, при обобщении опытных данных дает возможность сформулировать наиболее общие, сравнительно простые законы, но не обладает достаточной предсказую-щей силой и глубиной. Наиболее действенным является микроскопический подход он особенно эффективен при интерпретации наблюдаемых свойств и явлений в чистых кристаллических твердых телах. Хуже обстоит дело с микроскопией свойств некристаллических твердых тел [3], особенно белковых. Белковые вещества — крайне индивидуализированные системы с очень сложным и высоким порядком, но не с таким примитивным порядком, ка- -кой существует в чистых кристаллах. Белки — основа живого. Глубокое изучение биологических конструкций только начинается. Не лучше обстоит дело и с микроскопией жидких кристаллов [4 ]. [c.12]

Отличие физико-химического подхода от чисто гидродинамического в том, что гидродинамический рассматривает процессы в пористых телах на базе механики сплошных сред, а физико-химический—на основе представлений о дисперсном состоянии пористых тел, которое и определяет специфику и механизм массообменных процессов [24]. Физико-химический подход базируется на анализе физико-химических и микрогидродинамических процессов переноса газа, жидкостей и их паров в поровом пространстве. Действующее здесь поле поверхностных сил не только изменяет свойства флюида, но и влияет на кинетику массообменных процессов. В свою очередь, зависимость сил, действующих между частицами пористого тела, от состояния флюида приводит к тому, что в ходе процессов переноса может меняться пористая структура. [c.18]

Микрореология (или структурная реология) устанавливает на основе статистич. физики связь между структурными параметрами и физ. св-вами составл5пощих тело элементов, с одной стороны, и его реологич. св-вамя как континуума (сплошной среды), с другой. Фундам. результат в этой области-ф-ла Эйнштейна, связывающая вязкость Т1 жидкой дисперсной системы с содержанием ф сферич. частиц дисперсной фазы Т1 = Т1х(1 + 2,5 ф), справедливая при ф 1 (т1х-вязкость дисперсионной среды). Впоследствии были получены обобщения этой ф-лы, учитывающие возможность гидродинамич. взаимодействия частиц дисперсной фазы, межмол. взаимодействия (поверхностные силы), несферич-ность твердых частиц, замену твердых частиц каплями жидкости. [c.249]