9. Химикоэлектрическая.

Описание пары.

В химкоэлектрической паре круговая циркуляция электрического заряда под действием разности химических потенциалов

 = ” - ’ дж/кг. (524)

Для получкеия этой разности один или оба проводника а и б должны иметь неодинаковый химический состав по длине (рис. 15-б). По этому принципу работают гальванические элементы и электрические аккумуляторы (§ 1 и [11, 14]).

Например, в простейшем гальваническом элементе Вольта, состоящем из цинковой и медной пластин, которые погружены в серную кислоту, роль проводника а играют медь (участок а’) и цинк (участок а”), а роль проводника б – кислота.

В элементе Даниэля оба проводника а и б содержат по два участка. Первый проводник, как и в элементе Вольта, состоит из медного (а’) и цинкового (а”) участков. Роль второго проводника играют медный (б’) и цинковый (б”) купоросы (рис. 15-б). Во избежание перемешивания купоросы разделены пористой перегородкой.

По такой же схеме работает элемент Лекланше. В нем угольный электрод (участок а’) окружен слоем перекиси марганца (участок б’), а цинковый (а”) помещен в раствор нашатыря (б”).

В проводниках а и б носители электрического заряда различные. Например, в металлах такими носителями могут быть электроны, а в электролитах – ионы.

Возникающие эффекты.

В химкоэлектрической паре возникают все те эффекты, которые были описаны в § 6 и 7. При этом надо положить К_’ = К_” = 0.

Особый интерес представляет возможность связать с помощью соотношений общей теории электродвижущую силу  с тепловыми эффектами [11]. При составлении теплового баланса гальванического эффекта (и электрического аккумулятора) надо обязательно принимать во внимание как потоки теплоты, описываемые формулами (488), (489) и (498), так и потоки, определяемые законом диссипации (183). Наложение этих двух явлений – контактного и диссипативного – и определяет суммарную тепловую картину функционирования химкоэлектрической пары.

Химкоэлектрической паре, помимо тех общих эффектов, которые описаны в § 6 и 7, присущи также некоторые специфические эффекты. Часть из них совпадает с теми, которые были рассмотрены в § 8 применительно у термоэлектрической паре.

Глава IV. Фильтрационные пары.

8. Термофильтрационная.

Схема пары.

Общая схема фильтрационной пары приведена на рис. 16. Если на ее концах создать разность температур

Т = Т” – Т град (525)

(первый интенсиал), то получится термофильтрационная пара. При закрытых торцах капилляра пара работает по принципу обобщенной (рис. 17) и подчиняется всем закономерностям, рассмотренным в § 6 и 7.

Фильтрационнодвижущая сила (ЖДС) р, представляющая собой избыточную разность давлений, пропорциональна разности температур Т – формула (477).

Скорость фильтрации жидкости или газа пропорциональна градиенту Т/х - формулы (114) и (123). Такая закономерность характерна для процесса циркуляции экстенсора под действием градиента любого интенсиала. В общем случае скорость циркуляции экстенсора, в частности скорость скольжения жидкости или газа в пристеночном слое капилляра, определяется уравнением [11, 16]

 = (С/Т)(Р/х) м/сек, (526)

где С – коэффициент.

Фиктивная движущая сила р_с, представляющая собой разность давлений между емкостями К_V’ и К_V”, которые расположены на концах капилляра, изменяется со временем по экспоненциальному закону – формула (484). С увеличением длины х капилляра растут сопротивление слоев а и б, поэтому уменьшается скорость роста фиктивной движущей силы р_с. Максимальное значение р_с не зависит от х и емкостей К_V’ и К_V” - формула (486).

С уменьшением диаметра d капилляра разность р_с возрастает из-за снижения отношения n_V - формула (485), но скорость установления стационарного режима падает. В пределе, когда диаметр d равен двум капиллярным слоям, т.е. когда

d  2₀, (527)

обратный ток вещества (в осевом слое) вовсе прекращается, так как R_Va   и n_V  0. При этом разность р_с максимальна – формула (486).

Примеры явлений.

Термическую фильтрацию жидкости легко наблюдать на примере пары, в которой проводниками а и б являются капиллярнопористые тела. Например, проводником б может служить мелкий песок, кирпич, древесина, фильтровальная бумага, торф и т.д., проводником а – более крупный песок и т.п. В такой паре под действием разности температур происходит круговая циркуляция жидкости. О движении жидкости судят по перемещению взвешенных в ней частиц, они видны в микроскоп при небольшом увеличении [8, 10, 11, 16].

З.Ф. Слезенко с помощью очень прецизионной схемы удалось измерить скорость скольжения газа в пристеночном слое капилляра, на расстоянии 2,5 мкм от твердой поверхности. Эта скорость, например при градиенте температуры 500 град/м и давлении воздуха 1 мм рт.ст., при комнатной температуре составляет 1 мм/сек. Газ движется в направлении повышения температуры.

В этих опытах З.Ф. Слезенко обнаружил, что градиент температуры вызывает также появление предсказанного общей теорией градиента электрического потенциала. При комнатных условиях в воздухе под действием разности температур возникают разности электрических потенциалов порядка 10^-6 в и токи порядка 10^-12 а [11, 14].

К числу термофильтрационных явлений относятся термоосмос – прохождение жидкости или газа через малое отверстие или пористую перегородку – так называемая полупроницаемая перегородка, или термомеханический барьер, - фонтанный эффект в гелии-II, термическая эффузия, именуемая также кнудсеновским течением, и т.д. [11, 18, 19, 23, 44]. Суть фонтанного эффекта заключается в следующем [11, 14, 34, 35].

Если пустой стакан погрузить в сосуд с гелием-II, то жидкость в виде пленки поднимется по стенкам и заполнит стакан до уровня гелия в основном сосуде. Аналогичным образом гелий-II самостоятельно вытекает из отдельно стоящего стакана, поднимаясь по его внутренним стенкам. Согласно теории термодинамической пары, гелий поднимается по стакану под действием разности температур, возникающей по высоте стенки: благодаря теплообмену с окружающим воздухом верхний край стакана всегда имеет более высокую температуру, чем нижний, соприкасающийся с большой массой жидкого гелия. Таким образом, гелий перемещается в сторону повышения температуры [11, 14].

При кнудсеновском течении диаметр отверстия в капилляре меньше средней длины свободного пробега молекул. В результате проводники а и б – потоки газа в прямом и обратном направлениях – занимают все сечение капилляра одновременно, они как бы прозрачны один по отношению к другому.

Заметим, кстати, что теоретические формулы Кнудсена, как и других авторов, справедливы только для случая, когда d  2₀. При d > 2₀ опыт дает заниженное значение разности давлений р_с по сравнению с теорией Кнудсена. Общая теория и опыт показывают, что при больших d фактическая разность давлений стремится к нулю [11]. С помощью теории термодинамической пары удается количественно оценить все особенности кнудсеновского течения.

Все перечисленные явления – это частные случаи термической фильтрации, подчиняющейся законам общей теории.

Применение термической фильтрации.

Термическая фильтрация применяется в инженерной практике при разделении газов, в том числе изотопов (более легкие компоненты скапливаются на горячем конце капилляра), зонной очистке металлов, поверхностном легировании металлургических отливок и т.д. Она чрезвычайно широко распространена в природе: по законам термической фильтрации переносятся газ и влага в почвах и грунтах, происходит обмен в капиллярах живых организмов и т.д.

Очень интересное практическое применение термическая фильтрация нашла в так называемых тепловых трубках. Эффективная теплопроводность трубок может в 1500 раз превышать теплопроводность самых теплопроводных металлов и работать в области температур от –220 до +2000 С. Передаваемая мощность изменяется от нескольких ватт до нескольких киловатт. Тепловая трубка устроена следующим образом.

Геометрически закрытая с торцов металлическая трубка выстлана изнутри капиллярнопористым телом – фитилем. В нее налита некоторая жидкость, обладающая определенными температурами кипения и конденсации. При нагреве одного конца трубки жидкость по фитилю вследствие термической фильтрации подсасывается к горячему участку, там испаряется и в виде пара устремляется по центральному каналу к холодному концу трубки, где конденсируется. Испарение жидкости связано с поглощением большого количества тепла, а конденсация пара – с выделением. Благодаря этому переносятся огромные потоки теплоты (термиора) на уровне температур, определяемых процессами испарения и конденсации.

Тепловые трубки начинают использоваться в различных областях техники. Например, очень эффективные трубки разработаны английской лабораторией NEL в Глазго, предназначенные для работы в диапазоне температур от –20 до 400 С.

Термофильтрация нашла применение также при поверхностном легировании отливок [11, 16]. В процессе затвердевания металла в его сечении возникают заметные градиенты температуры и некоторых других интенсиалов. Под их воздействием в межкристаллические капилляры фильтруется легирующий элемент, который содержится в обмазке, наносимой на внутреннюю поверхность формы. В результате поверхностный слой отливки оказывается облагороженным нужной легирующей добавкой. Теория термодинамической пары позволила разобраться в физическом существе этого процесса и создать необходимые расчетные методы. На этой основе были разработаны высокоэффективные технологические процессы [11, 16].

В почвах и грунтах, являющихся капиллярнопористыми телами, влага покидает холодные места и подсасывается к горячим. Например, ночью, когда поверхность почвы охлаждается ниже температуры внутренних слоев, влага уходит в глубину. Днем при нагреве почвы солнцем влага поднимается на поверхность и там испаряется. Чтобы предотвратить потери влаги, почву перекапывают, нарушая тем самым сплошность капилляров, или мульчируют – засыпают торфом или опилками и т.д., что дает аналогичный эффект.

Зимние колебания температуры иногда вызывают вспучивание грунтов и дорог. Силовой эффект вспучивания, определяемый давлением р_с, возрастает с уменьшением диаметра капилляров.

В листьях растений, по опытам З.Ф. Слезенко, всегда имеется градиент температуры, который изменяется в течение суток. Это изменяет направление термофильтрационного потока газов – кислорода, углекислого газа, паров воды, азота и разделения (§ 7), что создает необходимые предпосылки для газового и водного обмена в растительном организме. Обмену способствуют суточные изменения диаметров капилляров.

Аналогичная картина наблюдается в живом организме, где разность температур приводит к термофильтрационному переносу и разделению газов и жидкостей с растворенными в них веществами.