Дисперсная система

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Диспе́рсная систе́ма — образования из двух или большего числа фаз (тел), которые практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. В типичном случае двухфазной системы первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда). Если фаз несколько, их можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т.д.).

Обычно дисперсные системы — это коллоидные растворы, золи. К дисперсным системам относят также случай твёрдой дисперсной среды, в которой находится дисперсная фаза.

Классификация дисперсных систем[править | править вики-текст]

Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среды и дисперсной фазы (фаз). Сочетания трёх видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов двухфазных дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду; например, для системы «газ в жидкости» принято обозначение Г/Ж.

Обозначение Дисперсная фаза Дисперсионная среда Название и пример
Г/Г
Газообразная
Газообразная
Не образуют дисперсные системы
Ж/Г
Жидкая
Газообразная
Аэрозоли: туманы, облака
Т/Г
Твёрдая
Газообразная
Аэрозоли (пыли, дымы), порошки
Г/Ж
Газообразная
Жидкая
Газовые эмульсии и пены
Ж/Ж
Жидкая
Жидкая
Эмульсии: нефть, крем, молоко
Т/Ж
Твёрдая
Жидкая
Суспензии и золи: пульпа, ил, взвесь, паста
Г/Т
Газообразная
Твёрдая
Пористые тела: пенополимеры, пемза
Ж/Т
Жидкая
Твёрдая
Капиллярные системы (заполненные жидкостью пористые тела): грунт, почва
Т/Т
Твёрдая
Твёрдая
Твёрдые гетерогенные системы: сплавы, бетон, ситаллы, композиционные материалы

По кинетическим свойствам дисперсной фазы двухфазные дисперсные системы можно разделить на два класса:

  • Свободнодисперсные системы, у которых дисперсная фаза подвижна;
  • Связнодисперсные системы, у которых дисперсионная среда твёрдая, а частицы их дисперсной фазы связаны между собой и не могут свободно перемещаться.

В свою очередь, эти системы классифицируются по степени дисперсности.

Системы с одинаковыми по размерам частицами дисперсной фазы называются монодисперсными, а с неодинаковыми по размеру частицами — полидисперсными. Как правило, окружающие нас реальные системы полидисперсны.

Встречаются и дисперсные системы с бо́льшим числом фаз — сложные дисперсные системы. Например, при вскипании жидкой дисперсионной среды с твёрдой дисперсной фазой получается трёхфазная система «пар — капли — твёрдые частицы»[1].

Другим примером сложной дисперсной системы может служить молоко, основными составными частями которого (не считая воды) являются жир, казеин и молочный сахар. Жир находится в виде эмульсии и при стоянии молока постепенно поднимается кверху (сливки). Казеин содержится в виде коллоидного раствора и самопроизвольно не выделяется, но легко может быть осаждён (в виде творога) при подкислении молока, например, уксусом. В естественных условиях выделение казеина происходит при скисании молока. Наконец, молочный сахар находится в виде молекулярного раствора и выделяется лишь при испарении воды.

Свободнодисперсные системы[править | править вики-текст]

Свободнодисперсные системы по размерам частиц подразделяют на:

Название Размер частиц, м Основные признаки гетерогенных систем
Ультрамикрогетерогенные 10−9…10−7 — гетерогенные;

— частицы проходят через бумажный фильтр и не проходят через ультрафильтр

— частицы не видны в оптический микроскоп, а видны в электронный микроскоп и обнаруживаются в ультрамикроскоп

— относительно устойчивы кинетически

— прозрачные, рассеивают свет (дают конус Фарадея — Тиндаля)

Микрогетерогенные 10−7…10−5
Грубодисперсные более 10−5

Ультрамикрогетерогенные системы также называют коллоидными или золями. В зависимости от природы дисперсионной среды, золи подразделяют на твёрдые золи, аэрозоли (золи с газообразной дисперсионной средой) и лиозоли (золи с жидкой дисперсионной средой). К микрогетерогенным системам относят суспензии, эмульсии, пены и порошки. Наиболее распространёнными грубодисперсными системами являются системы «твёрдое тело — газ» (например, песок).

Коллоидные системы играют огромную роль в биологии и человеческой жизни. В биологических жидкостях организма ряд веществ находится в коллоидном состоянии. Биологические объекты (мышечные и нервные клетки, кровь и другие биологические жидкости) можно рассматривать как коллоидные растворы. Дисперсионной средой крови является плазма — водный раствор неорганических солей и белков.

Связнодисперсные системы[править | править вики-текст]

Пористые материалы[править | править вики-текст]

Пористые материалы по размерам пор подразделяют, согласно классификации М. М. Дубинина, на:

Название Размер частиц, мкм
Микропористые менее 2
Мезопористые 2-200
Макропористые более 200

По рекомендации ИЮПАК, микропористыми называют пористые материалы с размерами пор до 2 нм, мезопористыми — от 2 до 50 нм, макропористыми — свыше 50 нм.

По своей структуре пористые материалы подразделяют на корпускулярные и губчатые. Корпускулярные тела образуются срастанием отдельных структурных элементов (обычно разной формы и размера) — как не пористых, так и обладающих первичной пористостью (пористая керамика, бумага, ткань и др.); порами здесь служат промежутки между структурными элементами. Губчатые тела являются промежутки между этими частицами и их ансамблями. Губчатые тела может сформироваться в результате топохимических реакций, выщелачивание некоторых компонентов твёрдых гетерогенных систем, пиролитического разложения твёрдых веществ, поверхностной и объёмной эрозии; в них поры обычно представляют собой сеть каналов и полостей различной формы и переменного сечения[2].

По геометрическим признакам пористые структуры подразделяются на регулярные (у которых в объёме тела наблюдается правильное чередование отдельных пор или полостей и соединяющих их каналов) и стохастические (в которых ориентация, форма, размеры, взаимное расположение и взаимосвязи пор носят случайный характер). Для большинства пористых материалов характерна стохастическая структура. Имеет значение и характер пор: открытые поры сообщаются с поверхностью тела так, что через них возможна фильтрация жидкости или газа; тупиковые поры также сообщаются с поверхностью тела, но их наличие на проницаемости материала не сказывается; закрытые поры[2].

Твёрдые гетерогенные системы[править | править вики-текст]

Характерным примером твёрдых гетерогенных систем являются получившие в последнее время широкое распространение композиционные материалы (композиты) — искусственно созданные сплошные, но неоднородные, материалы, которые состоят из двух или более компонентов с чёткими границами раздела между ними. В большинстве таких материалов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включённые в неё армирующие элементы; при этом армирующие элементы обычно отвечают за механические характеристики материала, а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов. К числу старейших композиционных материалов относятся саман, железобетон, булат, папье-маше. Ныне широко распространены фиброармированные пластики, стеклопластик, металлокерамика, нашедшие применение в самых различных областях техники.

Движение дисперсных систем[править | править вики-текст]

Изучением движения дисперсных систем занимается механика многофазных сред. В частности, задачи оптимизации различных теплоэнер­гетических устройств (паротурбинных установок, теплообменников и др.), а также разработки технологий нанесения различных покрытий делают актуальной проблему математического модели­рования пристеночных течений смеси «газ — жидкие капли». В свою очередь, значительное разнообразие структуры пристеночных течений многофазных сред, необходимость учёта различных факторов (инерционность капель, образование жидкой плёнки, фазовые переходы и др.) требуют построения специальных математических моделей многофазных сред, активно разрабатываемых в настоящее время[3].

Возможности аналитического исследования нестационарных газодинамических течений многофазных дисперсных сред, в которых несущая газообразная фаза включает мелкие твёрдые или жидкие включения («частицы»), сильно ограничены, и на первый план выходят методы вычислительной механики[4]. Значительную актуальность при этом приобретает изучение таких течений при наличии интенсивных фазовых переходов — например, при анализе аварийных ситуаций в системах охлаждения атомных электростанций, исследовании вулканических извержений и в ряде технологических приложений, включая оптимизацию устройств, которые позволяют создавать высокоскоростные многофазные струи[1].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Осипцов А. Н., Панкратьева И. Л., Полянский В. А., Сахаров В. И.  Стационарное течение смеси жидкость — частицы в канале при наличии вскипания несущей фазы // Теплофизика высоких температур. — 1992. — Т. 30, вып. 3. — С. 583—591.
  2. 1 2 Фандеев В. П., Самохина К. С.  Методы исследования пористых структур // Науковедение. — 2015. — Т. 7, № 4 (29). — С. 101—122. — DOI:10.15862/34TVN415.
  3. Осипцов А. Н., Коротков Д. В.  Пограничный слой в парокапельной среде на лобовой поверхности горячего затупленного тела // Теплофизика высоких температур. — 1998. — Т. 36, вып. 2. — С. 291—297.
  4. Губайдуллин А. А., Ивандаев А. И., Нигматулин Р. И.  Модифицированный метод «крупных частиц» для расчёта нестационарных волновых процессов в многофазных дисперсных средах // Журнал вычислительной математики и математической физики. — 1977. — Т. 17, № 2. — С. 1531—1544.

Литература[править | править вики-текст]