Автоматизация проектирования средств и систем управления. Физико-тех

переходных металлов, цеолиты могут приобрести окраску. Если окраска индивидуального иона зависит от того, находится он в гидратизированном или безводном состоянии, окраска цеолита будет меняться со степенью гидратации.

Математическое описание

Общая формула цеолита

Mex/n[AlxSiyO2(x+y)] zH2O,

ãäå Me — металл;

n — его степень окисления;

õ— число атомов алюминия;

ó— число атомов кремния;

z — число молекул воды.

Применение

1.Цеолиты используются для выделения и очистки углеводородов нефти и как катализаторы, а также для очистки, осушки и разделения газов (в том числе воздуха), осушки фреонов, извлечения радиоактивных элементов, создания глубокого вакуума и т. д.

2.Способность цеолитов менять цвет в присутствии паров воды используется для определения последней.

3.Каркасы цеолитов похожи на пчелиные соты и образованы из цепочек анионитов кремния и алюминия. Из-за своего строения каркас имеет отрицательный электрический заряд, и этот заряд компенсируется катионами щелочных или щелочно-земельных металлов, находящимися

âполостях — сотах. Цеолит (диаметр его пор) определяется соотношением кремния и алюминия и типом катионов (главным образом, это вода). Она удаляется при нагревании до 600, 800 °С, сам каркас при этом не разрушается, он сохраняет первоначальную структуру. Именно поэтому цеолит способен вновь поглощать воду и другие вещества. Размером пор определяется и размер частиц, способных в них проникать. Цеолиты могут как бы просеивать молекулы, сортировать их по размерам. Кроме того, они используются как адсорбенты, которые в 10–100 раз эффективнее, чем все другие осушители и работают при различных температурах. При 190 °С адсорбционная способность цеолитов резко повышается. Они поглощают даже воздух, создавая в сосуде разрежение.

41

4. Цеолиты используют как ионообменники, не разрушающиеся под действием излучения, а также в качестве катализаторов, устойчивых к действию высоких температур, каталитических ядов, позволяют гибко менять свойства.

2.4. Гидростатика и гидродинамика

Гидростатика — раздел гидромеханики, в котором изучаются равновесие жидкости и воздействие покоящейся жидкости на погруженные

âнее тела. Одна из основных задач гидростатики — изучение распределения давления в жидкости. На законах гидростатики, в частности на законе Паскаля, основано действие гидравлического пресса, гидравличе- ского аккумулятора, жидкостного манометра, сифона и многих других машин и приборов.

Гидродинамика — раздел гидромеханики, в котором изучаются движение несжимаемых жидкостей и взаимодействие их с твердыми телами. Методами гидродинамики можно исследовать также движение газов, если скорость этого движения значительно меньше скорости звука

âрассматриваемом газе.

Интересным эффектом в этой области является вязкоэлектрический эффект.

Протекание полярной непроводящей жидкости между обкладками конденсатора сопровождается некоторым увеличением вязкости, мгновенно исчезающим при снятии поля. Это явление в чистых жидкостях получило название вязкоэлектрического эффекта.

Установлено, что эффект возникает только в поперечных полях и отсутствует в продольных. Вязкость полярных жидкостей возрастает с увеличением напряженности поля вначале пропорционально квадрату напряженности, а затем приближается к некоторому постоянному предельному значению (вязкости насыщения), зависящему от проводимости жидкости. Увеличение проводимости приводит к увеличению вязкости насыщения.

На эффект оказывает влияние частота поля. Вначале с повышением частоты вязкоэлектрический эффект увеличивается до определенного предела, затем вырождается до нуля.

Увеличение вязкости под действием электрического поля происходит за счет того, что в жидкости могут находиться или возникать под действи-

42

Математическое описание

Сила Архимеда

FA gV ,

где — плотность жидкости (газа);

g — ускорение свободного падения;

V — объем погруженного тела (или часть объема тела, находящаяся ниже поверхности).

43

Выталкивающая сила (называемая также архимедовой силой — на рис. 2.12, стрелка вверх) равна по модулю (и противоположна по направлению) силе тяжести, действовавшей на вытесненный телом объем жидкости (газа), и приложена к центру тяжести этого объема.

Применение

À.с. 307584. Способ сооружения каналов оросительных систем из сборных элементов отличается тем, что с целью упрощения транспортировки изделий после монтажа начального участка канала его торцы закрывают временными диафрагмами, сотовый участок канала затопляют водой и последующие элементы, также закрытые с торцов временными диафрагмами, сплавляют по этому участку канала.

Если вес тела равен весу вытесненной жидкости, то тело будет находиться в жидкости как бы в состоянии невесомости, за исключением того, что деформации, вызванные наличием поля тяготения и давлением жидкости, сохраняются.

À.с. 254720. Способ изготовления литейных форм из жидких самотвердеющих смесей, включающий в себя применение полой модели, выполненной из эластичного материала, заполняемой рабочим телом с последующим его удалением из модели после окончания процесса формообразования, отличается тем, что с целью получения отливок заданных размеров полость модели заполняется рабочим телом с удельным весом, равным удельному весу формовочной смеси в жидком состоянии.

À.с. 445760: 1. Полый клапан в виде свободного шара отличается тем, что с целью уменьшения сопротивления потоку он выполнен по весу, равным весу вытесненной жидкости. 2. Клапан по п. 1 отличается тем, что с целью расширения диапазона применения его полость заполнена наполнителем.

Сила Архимеда может не только компенсировать вес тела, но и перемещать тела в вертикальном направлении, если происходит изменение плотности последнего.

À.с. 223967. Сварочный механизм, поддерживающий поворотный стол с захватами и устройством для поворота, отличается тем, что с целью упрощения конструкции устройство для поворота стола выполнено в виде поплавкового механизма, шарнирно соединенного с поворотным столом.

Если жидкость имеет различный удельный вес на высоте, то подъемная сила будет изменяться в соответствии с изменением ее удельного веса.

44

À.с. 332939. Манипулятор, содержащий стол с устройством его поворота, выполненным в виде металлического корпуса, наполненного жидкой средой, в которой размещен поплавок, отличается тем, что с целью обеспечения возможности изменения подъемной силы поплавка жидкая среда состоит из жидкостей с различными удельными весами.

Силу Архимеда можно изменить путем изменения силового воздействия поля на жидкость, восприимчивую к этому полю. Коллоидный раствор ферромагнитного вещества очень хорошо взаимодействует с магнитным полем, поэтому в этом случае получается хорошо управляемая система.

À.с. 527280. Манипулятор для сварочных работ, содержащий поворотный стол и узел поворота стола, выполненный в виде поплавкового механизма, шарнирно соединенного через кронштейн со столом и помещенного в емкость с жидкостью, отличается тем, что с целью увеличения скорости перемещения стола в жидкость введена ферромагнитная взвесь, а емкость с жидкостью помещена в электромагнитную обмотку.

Измеряя силу Архимеда в магнитных жидкостях, можно измерять величину самого магнитного поля (а. с. 373669).

2.4.2. Механокалорический эффект

Входы: разность давлений. Выходы: температура.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.14.

Сущность

Механокалорический эффект — явление охлаждения сверхтекучего жидкого гелия при температуре T T , ãäå T — температура фазового перехода, вытекающего из сосуда через узкий капилляр, под действием разности давлений, сопровождаемое разогревом гелия, остающегося

Рис. 2.14. Принцип механокалорического эффекта

45

в сосуде. Обратный процесс — термомеханический эффект (эффект фонтанирования) — появление в сверхтекучей жидкости разности давлений (градиента давлений), обусловленной разностью температур (градиентом температур).

Жидкий гелий (4Не) — бесцветная прозрачная жидкость, кипящая при атмосферном давлении при температуре 4,44 К. Затвердевает жидкий гелий при давлении больше 25 атм. При температуре T = 2,17 К и давлении насыщенных паров 4Не испытывает фазовый переход второго рода. Гелий при T T называется Не I, а при T T — Íå II. Ïðè T наблюдается аномалия теплоемкости. Теплопроводность Не II в миллионы раз превосходит теплопроводность Не I. Такое различие в величине теплопроводности приводит к резкому отличию в поведении Не I и Не II: Не I бурно кипит, а Не II имеет спокойную поверхность.

Математическое описание

Условие обратимости и остановки процесса:

p = S T,

где — плотность гелия;

S — энтропия единицы массы гелия;p — разность давлений;

T — разность температур.

Применение

Физический эффект применяется в криогенной технике.

2.4.3. Магнуса эффект

Входы: скорость жидкости.

Выходы: ñèëà.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.15.

Сущность

Магнуса эффект — возникновение подъемной силы, действующей на тело, вращающееся в набегающем на него потоке жидкости или газа.

Вращающийся твердый цилиндр образует в неограниченной массе вязкой жидкости или газа вихревое движение (рис. 2.15, a) с интенсивностью J. Движущийся поступательно (не вращающийся) с относительной

46

Рис. 2.15. Схема эффекта Магнуса (1 — пограничный слой)

скоростью V0 цилиндр обтекается ламинарным потоком, являющимся невихревым (рис. 2.15, á). Если цилиндр вращается и одновременно движется поступательно, то два окружающих его потока наложатся друг на друга и создадут результирующий поток обтекания (рис. 2.15, â).

При вращении цилиндра приходит в движение и жидкость. Движение в пограничном слое вихревое; оно слагается из потенциального движения, на которое накладывается вращение. Сверху цилиндра направление потока совпадает с направлением вращения цилиндра, а снизу — противоположно ему. Частицы в пограничном слое сверху цилиндра ускоряются потоком, что препятствует отрыву пограничного слоя. Снизу поток тормозит движение в пограничном слое, что способствует его отрыву. Отрывающиеся части пограничного слоя уносятся потоком в виде вихрей. Вследствие этого вокруг цилиндра возникает циркуляция скорости в том же направлении, в каком вращается цилиндр. Согласно закону Бернулли, давление жидкости на верхнюю часть цилиндра будет меньше, чем на нижнюю. Это приводит к возникновению вертикальной силы, называемой подъемной силой. При изменении направления вращения цилиндра на противоположное, подъемная сила также меняет направление на противоположное.

В эффекте Магнуса сила F перпендикулярна скорости потока V0. Чтобы найти направление этой силы, нужно вектор относительной скорости V0 повернуть на 90° в сторону, противоположную вращению цилиндра.

Эффект Магнуса можно наблюдать на опыте со скатывающимся по наклонной плоскости легким цилиндром (рис. 2.16).

После скатывания по наклонной плоскости центр масс цилиндра движется не по параболе, как двигалась бы материальная точка, а по кривой, уходящей под наклонную плоскость.

47

2.4.4. Джоуля — Томсона эффект

Входы: давление. Выходы: температура.

Графическая иллюстрация представлена на рис. 2.17.

Сущность

Эффект Джоуля — Томсона — изменение температуры газа при адиабатическом дросселировании — медленном протекании газа под действием постоянного перепада давлений сквозь дроссель, являющийся местным препятствием газовому потоку. Данный эффект — это одии из методов получения низких температур. Эффект Джоуля —

48

Томсона называется положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается, и отрицательным, если нагревается. Поскольку в процессе дросселирования давление газа понижается, то знак эффекта совпадает со

процесса и называется коэффициентом Джоуля — Томсона. Знак эффекта Джоуля — Томсона меняется при температуре инверсии. Для каждого реального газа существует точка инверсии — значение температуры, при которой измеряется знак эффекта. Для воздуха и многих других газов точка инверсии лежит выше комнатной температуры и они охлаждаются в процессе Джоуля — Томсона.

Математическое описание

Реализация процесса Джоуля — Томсона может осуществляться при большой и малой разнице давлений по разные стороны дросселя. Соответственно рассматривают интегральный эффект:

T V T V

T1 T2 dt C p

и дифференциальный эффект Джоуля — Томсона:

T T V T V ,

ãäå Ò1, Ò2 — температуры газа, соответственно в первой и второй камерах;

T — изменение температуры;

Cp — теплоемкость при постоянном давлении;V — изменение объема;

P — изменение давления.

Применение

А. с. 257801. Способ определения термодинамических величин газов, например энтальции, путем термостатирования исходного газа, дросселирования его с последующим измерением тепла, подведенного к газу, отли- чающийся тем, что с целью определения термодинамических величин газов с отрицательным эффектом Джоуля — Томсона газ после дросселиро-

49

вания охлаждают до первоначальной температуры, затем нагревают до температуры после дросселя с измерением подведенного к нему тепла и по известным соотношениям определяют искомые величины.

2.4.5. Гидравлический удар

Входы: скорость жидкости. Выходы: давление.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.18.

Сущность

Гидравлический удар — скачок давления в какой-либо системе, заполненной жидкостью, вызванный крайне быстрым изменением скорости потока этой жидкости за очень малый промежуток времени. Гидравлический удар способен вызывать образование продольных трещин в трубах, что может привести к их расколу, или повреждать другие элементы трубопровода.

Стадии гидравлического удара подробно показаны на рис. 2.18. Пусть в конце трубы, по которой движется жидкость со скоростью v0, произведено мгновенное закрытие крана (рис. 2.18, à). При этом скорость частиц, натолкнувшихся на кран, будет погашена, а их кинетиче- ская энергия перейдет в работу деформации стенок трубы и жидкости. При этом стенки трубы растягиваются, а жидкость сжимается в соответствии с увеличением давления на величину Póä, которое называется ударным. Область (сечение n — n), в которой происходит увеличение давления, называется ударной волной. Ударная волна распространяется вправо со скоростью c, называемой скоростью ударной волны.

Когда ударная волна переместится до резервуара, жидкость окажется остановленной и сжатой во всей трубе, а стенки трубы — растянутыми. Ударное повышение давления распространится на всю длину трубы (рис. 2.18, á).

Далее под действием перепада давления Póä частицы жидкости устремятся из трубы в резервуар, причем это течение начнется с сечения, непосредственно прилегающего к резервуару. Теперь сечение n — n перемещается обратно к крану с той же скоростью c, оставляя за собой выровненное давление P0 (ðèñ. 2.18, â).

Жидкость и стенки трубы предполагаются упругими, поэтому они возвращаются к прежнему состоянию, соответствующему давлению P0.

50