Бульбашки в рідині - реферат, сторінка 3
Отже, «тверді» бульбашки у воді - це ті, радіус яких значно менше мікрометра, а «м'які» - це ті, радіус яких значно більше мікрометра.
«М'які» і «тверді» бульбашки відрізняються не тільки розмірами. Виявляється, що в багатьох реальних ситуаціях вони виявляють різні властивості і різну поведінку.
Для «м'якого» бульбашки, коли лапласовскім тиском можна знехтувати, з головної формули слід. Це означає, що при об'єднанні двох «м'яких» бульбашок будуть підсумовуватися їх обсяги, так як підсумовується число газових молекул. З цієї обставини виникають два важливих наслідки.
По-перше, воно означає, що обсяг утворився міхура дорівнює сумі обсягів об'єдналися.
По-друге, виявляється, що два об'єдналися міхура мають поверхню меншу, ніж та, яку вони мали до об'єднання. Дійсно, умова підсумовування обсягів двох бульбашок, радіуси яких і. означає, що
Це рівність можна переписати в іншій формі:
Саме в цьому нерівності і міститься енергетичне виправдання об'єднання «м'яких» бульбашок: енергія укладеного в них газу не змінюється, а пов'язана з ними поверхнева енергія зменшується. Так що в процесі злиття загальна енергія зменшується - злиття «м'яких» бульбашок енергетично вигідно.
Тепер про злиття «твердих» бульбашок. Для них з головної формули слід. Це означає, що при злитті таких бульбашок підсумовуються не їхня обсяги, а поверхні:
При цьому обсяг сумарного міхура повинен перевищувати суму обсягів злилися бульбашок:
Висновок: при злитті «твердих» бульбашок поверхню, а значить, і енергія поверхні, залишаються незмінними. Здавалося б, і об'єднуватися їм нічого. Є, однак, виправдання процесу злиття твердих бульбашок. Воно полягає в тому, що злиття бульбашок супроводжує розширення газу.
4. Газовий пухирець біля кордону між рідинами
Газова бульбашка, що проходить через кордон між рідинами, - учасник багатьох дуже важливих технологічних процесів. Ось приклад такого процесу. Для того щоб виплавляється метал був високоякісним, ретельно перемішаним, крізь рідкий розплав пропускають бульбашки газу. Проводять, як кажуть металурги, барботаж розплаву. У вигляді бульбашок газ проходить і крізь шар металу, і крізь шар знаходиться на ньому рідкого шлаку. А між шарами - межа, і бульбашки газу повинні її подолати. Для металургів дуже важливо знати закономірності цього процесу.
Спочатку спробуємо уявити собі долю газового бульбашки радіуса R. розташованого в нижній рідини поблизу кордону між нижньою і верхньою рідинами. Для полегшення нашої завдання спростимо її і припустимо, що щільності рідин однакові і рівні і, отже, що виштовхує сила від сорту рідини не залежить. Припустимо спочатку, що межа між рідинами залишається плоскою, коли бульбашка намагається пройти крізь неї. Рідини відрізняються коефіцієнтами поверхневого натягу і, а межа між ними характеризується коефіцієнтом поверхневого натягу.
Газова бульбашка або пройде крізь кордон, або затримається кордоном і залишиться на ній.
Доля газової бульбашки визначиться спільною дією трьох сил. Перерахуємо і оцінимо ці сили. Одна з них - виштовхуюча сила - обумовлена зменшенням потенційної енергії спливаючого бульбашки. Друга сила обумовлена тим, що проходженню бульбашки крізь кордон супроводжує зникнення частини поверхні кордону і, отже, зменшення енергії системи на значення твору площі цієї поверхні на. Третя сила визначається тим, що при русі бульбашки через кордон змінюється співвідношення між площами поверхні бульбашки, де коефіцієнти поверхневого натягу і різні. При цьому, зрозуміло, змінюється поверхнева енергія, пов'язана з усією поверхнею бульбашки.
Для того щоб оцінити ці сили, ми поступимо таким чином: розташуємо міхур на кордоні так, щоб його вершина відстояла від кордону на відстань h (див рис. 3). Потім змістимо бульбашка вгору на відстань і обчислимо відбувається при цьому зміна всіх трьох згадуваних доданків енергії, пов'язаних з бульбашкою на кордоні. Згадавши, що зміна енергії дорівнює взятому з протилежним знаком добутку діючої сили на шлях (в даному випадку), легко знайдемо цікавлять нас сили. А потім, склавши все три сили, знайдемо ту, яка і визначає долю бульбашки.
Малюнок 3 Схема плоскою кордону між рідинами, «пробивається» спливаючих бульбашкою
Зменшення потенційної енергії бульбашки при його зміщенні на одно
Це - перша сила.
Зменшення граничної енергії, пов'язане зі зникненням частини кордону, визначиться формулою
Зміна цієї величини при переході від h к (в припущенні, що) одно і, отже,
Це - друга сила.
Енергія, де - площа поверхні бульбашки, обмежена верхньою рідиною; після зсуву бульбашки на величина змінюється на і таким чином,
Це - третя сила.
Ось тепер можна записати силу, діючу на пухирець, розташований на кордоні:
Бульбашка припинить спливання при F = 0, т. Е. При
А відбувається це саме на кордоні за умови, що. З цієї умови (за наявності) слід, що затриматися на кордоні можуть бульбашки, радіус яких менше деякого критичного:
Формулу, наступну з нашого розрахунку, можна отримати, користуючись лише міркуваннями про размерностях.
Отже, формула есгь, обговоримо її.
При може виявитися, що.
У цьому випадку R * <0 и граница должна быть проницаема для пузырьков любого размера. Если же , то всегда R*> О, Скажімо, для металів Дж / м 2. Дж / м 2 і, таким чином, м. Це означає, що на кордоні застрягнуть міліметрові і більш дрібні бульбашки.
Але елементарний розрахунок може мати відношення до дійсності лише в разі, якщо підхід бульбашки до кордону знизу супроводжується її проривом при зіткненні бульбашки з рідиною верхнього шару. Така ситуація цілком реальна. У багатьох же випадках дійсність виявляється складніше нашої спрощеної схеми і подолання бульбашкою кордону відбувається зовсім не так, як ми це передбачали в нашому розрахунку. Обговоримо і інший механізм подолання кордону бульбашкою.
Спочатку про результати зовсім простих дослідів. У посудині розташовані два шари змішуються рідин. В обсяг нижньої рідини вдуваються газові бульбашки, і вони, рухаючись вгору, проходять через кордон між рідинами.
У кожному з шарів бульбашки просто спливають. А ось коли на шляху бульбашки виявляється межа між шарами рідин, виникають несподівані явища, що відрізняються від обговорених раніше. Вони нас і цікавлять. Візьмемо для досвіду скляну посудину, наллємо в нього дві незмішувані рідини (наприклад, вода і соняшникову олію) і крізь скло розглянемо всі, що відбувається на кордоні між ними. У нижній шар рідини газові бульбашки виводилися через голку шприца.
Досліди свідчать про те, що явища, яке ми спостерігали супроводжують два ефекту. Виявляється, що, якщо в обсяг нижньої рідини послідовно всприсківают маленькі бульбашки вони накопичуються під кордоном, об'єднуються і, лише досягнувши певного розміру, так би мовити, об'єднавши свої зусилля, долають кордон і проникають у верхню рідина. Точніше кажучи, не «проникають», а «проникає» один укрупнений міхур. Перш ніж пропустити крізь себе пляшечку, межа між рідинами під впливом сили, що виштовхує прогинається, як би тягнеться за укрупнювати бульбашкою. А потім, пропустивши пляшечку, вона випрямляється, готуючись до опору новим бульбашок. Якщо зрозуміло, вони з'являться. Отже, принципово нове спостереження: кордон не проривається, а прогинається за рухомим бульбашкою.
Малюнок 4 Схема кордону, згинається спливаючих бульбашкою
Між газом, укладеними в бульбашці, і верхньої рідиною залишається прошарок нижньої рідини, як це і зображено на схематичному малюнку (див рис. 4).
Ось тепер спробуємо оцінити, зберігши всі раніше зроблені спрощення. Будемо вважати, що кордон долає трохи рухається бульбашка, подібно до того, як, скажімо, що летить куля пробиває дошку, а бульбашка спочивають, на який, у міру його укрупнення діє виштовхуюча сила. Це означає, що, як і раніше, ми не повинні обговорювати ні швидкість спливання бульбашок, ні в'язкість межують рідин, ні будь-які інші кінетичні величини.
Припустимо, що щільності межують рідин практично однакові і рівні. У ситуації, що розглядається на пухирець, відокремлений від кордону між рідинами тонким шаром нижньої рідини діють дві сили. Одна з них - виштовхуюча сила, яка прагне продавити бульбашка крізь кордон. Інша сила виникає, коли спливає бульбашка деформує кордон між рідинами. Ця сила прагне перешкодити збільшенню площі між рідинами в тому місці, де бульбашка прагне її прорвати. Цю силу обчислимо, спростивши форму кордону. У цьому спрощення форми кордону в основному і полягає спрощеність розрахунку.
Силу можна оцінити, слідуючи ось яким міркуванням. Переміщення газового бульбашки вгору супроводжується збільшенням площі циліндричної кордону між верхньою і нижньою рідинами. Якщо бульбашка зміститься на величину, то супутнє цьому збільшення поверхневої енергії. Це означає, що спливання бульбашки буде перешкоджати сила. Ось тепер з умови, ми легко визначимо критичний розмір бульбашки, при якому сила відірве його від стовпа нижньої рідини. Оповитий нею пляшечку спливає у верхній рідини. Оцінка R * виявляється такою:
З формули випливає, що при розумних значеннях величин, що визначають R * (Дж / м 2. кг / м 3), виявляється, що м.
Тепер про другий ефекті. Виявляється, що бульбашка, проривається через кордон в «верхню» рідина, забирає з собою трохи «нижній» рідини, навіть якщо вона і важче.
Це поняття пояснюється так: освіта розривів суцільності рідини в результаті місцевого зниження тиску в ній. Розриви рідини, це звичайно ж бульбашки. Слово «кавітація» походить від латинського слова cavitas. що означає порожнеча.
Тимчасово поставимо перед собою іншу мету: ознайомимося з основною закономірністю, якій підпорядковується рідина, що тече в трубці. Уявімо собі горизонтальну трубку змінного перерізу, по якій тече рідина. Там, де площа перерізу поменше, рідина тече швидше, а там, де побільше, - повільніше. Відповідно до закону збереження енергії, можна стверджувати наступне. Над виділеним об'ємом поточної рідини відбувається робота сил тиску, що змушують її перебіг. Якщо рідина не володіє в'язкістю, то ця робота буде витрачатися тільки на зміну її кінетичної енергії. Закон збереження енергії дає право прирівняти роботу сил тиску зміні кінетичної енергії рідини. З цієї рівності випливає рівняння Данила Бернуллі, яке виконується в будь-якому перетині трубки:
У цьому рівнянні - щільність рідини, - швидкість її течії, - тиск рідини в потоці, а - величина постійна. Прочитати її можна так: сума щільності кінетичної енергії і тиску в поточній рідини залишається незмінною.
Записане рівняння є фундаментальним в науці про рідини.
Вдивіться в формулу уважно. Ось що формула свідчить: чим вже перетин трубки, тим більше, чим більше, тим менше, а це означає », що може виявитися настільки великим, що тиск стане менше деякого критичного. Газові або парові бульбашки, наявні в рідині, що рухається і потрапили зону, де. починають збіль лічівает в обсязі, рідина «кавітуючими», перетворюючись в піноподібну середу. Переміщаючись разом з потоком в область, де тиск, бульбашки починають схлопуватися і зникають.
Отже, ми з упевненістю передбачаємо появу бульбашок в поточній рідини, грунтуючись, як на фундаменті, тільки на законі збереження енергії. Фундамент надійний і бульбашки шукати слід.
Насправді кавітація може відбуватися і тоді, коли в рідини з якої-небудь причини виникають ділянки, в яких швидкість її руху різна. Наприклад, поблизу обертових лопатей теплохода, або поблизу стержня, вібруючого в воді.
«Крапля камінь точить» - це відомо всім. А ось, що бульбашка метал руйнує, - це видається не загальновідомо. Зареєстровано безліч випадків руйнування гребних гвинтів швидкохідних кораблів кавітаційними бульбашками. Ці руйнування іноді виводять гвинт з ладу всього за кілька годин ходу корабля. Кавітаційна зона поблизу обертового гребного гвинта будівельникам кораблів ретельно досліджується з метою обрати оптимальну форму, при якій без шкоди для інших характеристик корабельного гвинта його кавітаціоннная стійкість буде найбільшою. Це важливий етап в конструюванні і виготовленні корабля.
А ось ще один приклад руйнівної дії кавітації. Якщо у воді буде вібрувати металевий стрижень, його торцева поверхня покриється вогнищами кавитационного руйнування: бульбашки метал руйнують.
Є кілька припущень про механізм передачі летить бульбашки поверхні металу. Досягнувши поверхні перешкоди, бульбашка може швидко схлопнуться, порушити ударну хвилю, і це спричинить за собою удар води по поверхні. Фізики, докладно, які вивчали кавитационні руйнування металів, переконалися в тому, що імпульсні тиску, сприймаються поверхнею, виявляються достатніми, щоб бульбашки створювали і розвивали осередки руйнувань на поверхні металу. Наприклад, так: багато разів повторюються імпульсні напруги призводять до локальних втомним руйнуванням.
В ході виконання роботи були розглянуті та вивчені тільки частина питань, пов'язаних з вивченням властивостей бульбашок в рідині.
У кожному розділі роботи були розглянуті різні процеси, що відбуваються з бульбашками в рідини і показано, як загальні закони фізики виявляють себе в цих явищах. Так, при вільному Спливання бульбашки в режимі ламінарного течії води застосовувалася формула Дж. Г. Стокса, для визначення тиск газу, укладеного в міхурі - закон Менделєєва - Клайперона, а основна закономірність, якій підпорядковується рідина, що тече в трубці, описується рівняння Д. Бернуллі , яке є фундаментальним в науці про рідини.
Можна зробити висновок, що бульбашка виявляється головним учасником дуже важливих технологічних процесів і фізичних явищ.
В роботі розглянуті наступні питання: про флотації, процесі, при якому руда звільняється від порожньої породи, про кавітації - процесі появи несплошностей в рідини внаслідок місцевого зниження тиску (ці несплошності перетворюються в пухирці, які, схлопиваясь, можуть покритися виразками і руйнувати метал, що знаходиться в рідини, зокрема гребні гвинти кораблів), про барботаже - продуванні крізь рідину газових бульбашок (їх потік призводить до скоєного перемішування рідини, а іноді використовується для її рівномірного прогріву) .
Виконано модельний досвід про флотації.
В процесі виконання роботи отримані додаткові знання з фізики, які можуть бути використані в подальшій навчальній діяльності.
У висновку слід зазначити, що тематика даної дослідницької роботи є досить актуальною і тому і досить цікавою.
Список використаних джерел та література
Гегузін Я.Е. Бульбашки. - М. Наука, 1985. - 176 с.
Кутателадзе С.С. Накоряков В.Є. Тепломасообмін та індійські в газорідинних системах. - Одеса: Наука, 1984. - 301 с.