Файл: Дрі Химиялы жне фармацевтикалы технологияны негізгі процестерін жіктеу. Химиялы ндірісті отайландыру.docx

Жылуалмасу үдерістерінің қозғаушы күші. Жылуалмасу үдерістерінің қозғаушы күші ∆t болады. Жылу температурасы жоғары ортадан температурасы төменгі ортаға таралады. Осыған байланысты бір жылутасымалдағыштан екінші жылутасымалдағышқа өтетін жылу, ол жылутасымалдағыштардың қандай бағытта қозғалатынына байланысты орташа ∆t арқылы есептелінеді. Негiзгi жылутасымалдағыштардың ағу бағыты: бiр бағыттағы ағын; қарама-қарсы ағын; айқасқан ағын деп бөлінеді.

Жылутасымалдағыштардың қарама-қарсы бағыттағы ағынындағы нобай басқа нобайлармен салыстырғанда ең жақсы жылуөту үдерісі болып табылады.


Дәріс 13. Булану. Буландырғыштардың конструкциялары және буландырғыштардың схемалары. Буландырғыштардың материал және жылу баланстары

Булану (Испарение) -заттың сұйық немесе қатты агрегаттық күйден газ тәрізді (бу) күйге (бірінші текті фазалық ауысу) ауысуы. Cуқойманың су беті ылғалының булану арқылы атмосфераға көтеріліп, одан жауын-шашын түрінде қайта түсуі. Ылғалы мол аймақтардағы жауын-шашын қабаты булану қабатынан артып кетеді, сондықтан атмосферамен ылғал алмасу теңдестігінің оң (болымды), ал ылғал жетіспейтін аймақтардағы бұған керісінше жағдай; ылғал алмасу теңдестігінің теріс (болымсыз) құбылысы деп аталады;

Cудың сұйық немесе қатты күйден газға (буға) айналу процесі, сұйықтықтан қоршаған кеңістікке өткен молекулалар саны мен беттің қайтадан жұтқан молекулалар саны арасындағы айырма. Кері жағдай, яғни бетте қайта жұтылған сұйықтық молекулаларының саны одан бөлінген молекулалар санынан көп болса, онда оны конденсация дейді. Қар мен мүз бетінен булануды немесе қатты фазадан сұйық фазаны айналып газ күйіне өтуді төте булану десе, ал қар бетіндегі сұйық фазаны айналып өтетін конденсацияны -сублимация дейді. Су беті немесе топырақтан булануды физикалық булану, ал өсімдіктердегі булану транспирациясын биологиялық булану деп бөледі.

Қатты дененің булануы сублимация деп аталады. Булану процесі кез келген температурада жүруі мүмкін, бірақ ол температура жоғарылаған сайын тезірек өтеді. Жабық ыдыстағы Булану процесі сұйықтықтың не қатты дененің үстіндегі кеңістік қаныққан буға толғанша тұрақты температурада жүреді. Қаныққан будың қысымы тек температураға ғана тәуелді және ол температура жоғарылаған сайын артып отырады. Егер қаныққан будың қысымы сыртқы қысымға тең не артық болса, онда булану қайнау процесіне айналады. Қайнаудың ең жоғары температурасы берілген заттың алмағайып температурасы болып есептеледі. Одан жоғары температурада сұйықтық пен будың арасындағы тепе-теңдік күй сақталмайды. Сұйықтық буға айналуы үшін оның құрамындағы молекулалар ілініс күшін жеңуі керек. Осы күшті жеңуге (шығу жұмысы) және түзілген сыртқы будың қысымын жеңуге жұмсалатын жұмыс молекулалардың жылулық қозғалысының кинетикалық энергиясы есебінен атқарылады. Булану салдарынан сұйықтықтың температурасы төмендеп, салқындайды, сондықтан Булану процесі тұрақты температурада жүруі үшін оған үнемі жылу беріп отыру керек. Заттың бірлік массасын тұрақты температурада буға айналдыруға қажетті жылу мөлшері булану жылуы деп аталады. Булану процесі техникада (іштен жанатын қозғалтқышта, салқындатқыш қондырғыларда, т.б.) кеңінен қолданылады. Булану табиғаттағы ылғал алмасудың негізі болып табылады.

---

Булану өлшегіштері - су бетінен булануды өлшеу үшін қолданылатын аспаптардың толық жинағы. Мұндай толық жинаққа буландырғыш ГГИ-3000, жер бетіндік көлемдік бюретка, өлшегіштік түтік керек.

Б
улануды есептеу (Расчет испарения) -жер бетінің ылғалдық булануы жөнінде нақты деректер болмаған кезде булану мөлшерін есептеулер арқылы анықтау тәсілі.

Буланғыштық (Испаряемость) - белгілі бір метеорологиялық жағдайда жеткілікті ылғалданған, төселген беттен мүмкін болатын ең көп булану (буландыру бетіне су беру жылдамдығы қанша үлкен болса да) шамасы. Әдетте, Буланғыштық шамасы ретінде су бетінен булану мөлшерін немесе тұрақты толық ылғалданған топырақ бетінен булану шамасын алады. Суқойма бетінен буланған су қабатының қалыңдығымен (мм) өлшенеді. Топырақ пен өсімдік бетінен (әсіресе шөлдерде) буланудан айтарлықтай дәрежеде ерекшеленуі мүмкін. Буланғыштық -жердің бетінен және су айдынынан белгілі бір ауа райы жағдайында судың барынша булану мөлшерін сипаттайтын шартты өлшем. Буланғыштық мм-мен өлшенеді. Судың бетіндегі буланғыштық әрқашан нақты буланған су мөлшеріне тең. Құрлықта топырақ суға толық қаныққанда ғана нақты буланған су мөлшеріне тең болады. Буланғыштық өлшемі және оның жанама сипаттамалары жер бетіндегі ылғалдылық мөлшерін анықтайтын көрсеткіштердің бәріне кіреді. Заттың сұйық күйден газ күйіне өтуі булану, ал заттың газ күйінен сұйық күйге өтуі конденсация деп аталады. Булану процесінің заттың ішкі энергиясының артуымен, ал конденсация процесінің оның кемуімен қатар жүретінін еске сала кетейік. Демек, булану және конденсация зат пен қоршаған ортаның арасындағы энергия алмасу процесі кезінде өтеді екен. -

Конденсация (газдың сұйыққа айналуы; лат. condensatio -тығыздалу, қоюлану) -заттың газ қалпынан сұйыққа айналуы немесе қатаюы. Конденсация белгілі бір шектеулі температурадан төмен жағдайда ғана болуы мүмкін. Мысалы, будың суға айналуы ылғалдылық молайып, температура төмендегенде, буға қаныққан ауаның қозғалысы температурасы жоғары жақтан төменге карай ығысуынан болады. Конденсация тұман және бұлт қалыптасуы түрінде білінеді. Конденсация температураның төмендеуінен немесе қысымының өзгеруінен болады. Булануға қарама-қарсы процесс.

Булану кебу және қайнау түрінде жүреді.

Кебу. Сұйықтың газ түріндегі ортамен немесе вакууммен шектесіп жататын еркін (ашық) бетінен пайда болатын булануды кебу деп атайды. Кебу процесін молекулалы-кинетикалық теория тұрғысынан қарастырайық. Өзіміз білетіндей, сұйық молекулаларының энергиясы артуы тиіс. Демек, сұйықты тастап кету үшін молекула өзінің кинетикалық энергиясының азаюы есебінен жұмыс атқарады. Сұйықың беткі қабатында хаосты қозғалып жүрген молекулалардың ішінен сұйықты тастап кетуге тырысатын молекулалар табылады. Осындай молекула беттік қабатты тастап шығар кезде оны сұйыққа қарай тартатын күш пайда болады. Сондықтан сұйықтан тек кинетикалық энергиясы қалыңдығы rм қабаттағы молекулалық күштердің қарсылығын жеңуге қажетті жұмыстан артық болатын молекулалар ғана ұшып шығады, мұндағы rм –молекулалық әрекет радиусы. Сұйықты тастап шыққан молекулалар жиынтығы оның бетіндегі буды түзеді. Сұйықты кинетикалық энергиясы біршама үлкен молекулалар тастап шығып, ал онда кинетикалық энергиясы төменірек болатын молекулалар қалатын болғандықтан, сұйықта қалатын молекулалардың ілгерлемелі қозғалысының Wк.ілг орташа кинетикалық энергиясы кебу кезінде азаяды, яғни кебу кезінде сұйық суйды.

---

Қайнау. Буланудың көп тараған екінші түрі- сұйықтардың қайнауы болып табылады. Тәжірибенің негізінде сұйықтың қайнау температурасы тұрақты қалатыны тағайындалған. Сұйықтың барлық көлемде және тұрақты температурада өтетін булану қайнау деп аталады. Енді қайнау процесінің ерекшеліктерін анықтайық. Шыны колбаға су құйып, оны қыздыру процесін бақылайық. Суды қыздырған кезде колбаның түбінде және қабырғаларында газдың көпіршіктері пайда болады. Олардың қалай пайда болатынын қарастырайық. Қатты дене бетінің газ молекулаларын ұстап тұру қасиеті болады, олар оған жабысып қалатын секілді. Газ молекулаларының қатты дененің бетіндегі молекулаларға «жабысып» қалуы адсорбция, ал қатты дененің бетімен байланысқан газды адсорбталған деп атайды.

Булану жылуы. Булануда заттың ішкі энергиясы артады, ал конденсация кезінде ол төмендейді. Осы поцестер кезінде сұйық пен бу температурасы бірдей болуы мүмкін, сондықтан заттың ішкі энергиясының өзгерісі тек молекулалардың потенциалдық энергиясының өзгерісі есебінен ғана болады. Сонымен, бірдей температурада сұйықтың бірлік массасының ішкі энергиясы оның буының бірлік массасының ішкі энергиясынан төмен болады. Тәжірибе булану кезінде заттың тығыздығы төмендеп, ал алатын көлемі артатынын көрсетеді. Демек, булану барысында сыртқы қысымға қарсы бағытталған жұмыс атқарлуы тиіс. Сондықтан сұйықты тұрақты температурада буға айналдыру үшін оған берілетін жылу мөлшерінің бір бөлігі заттың ішкі энергиясын арттыруға, қалғаны заттың ұлғаюы кезінде сыртқы күштерге қарсы жұмыс атқаруға жұмсалады. Практикада сұйықты буға айналдыру үшін жылу алмасу арқылы оған жылу беріледі. Сұйықты тұрақты температурада буға айналдыруға қажетті Qб жылу мөлшері булану жылуы деп аталады. Буды сұйыққа айналдыру үшін одан конденсация жылуы деп аталатын Qк жылуды алып кету керек. Егер сыртқы шарттар бірдей болса, онда бірдей заттың бірдей массасы үшін булану жылуы конденсация жылуына тең. мұндағы пропорционалдық коэффициент, оның шамасы сұйықтың түріне және сыртқы шарттарға тәуелді. Булану жылуының заттың түріне және сыртқы шарттарға тәуелділігін сипаттайтын шамасы меншікті булану жылуы деп аталады. Меншікті булану жылуы тұрақты температурада сұйықтың бірлік массасын буға айналдыруға қажетті жылу мөлшерімен өлшенеді:

Q=r*m

Меншікті балқу жылуы

Сұйық қайнау температурасына қызғаннан кейін, сұйықтың буға айналуы үшін қосымша жылу қажет. Мысалы қайнап тұрған 1 килограмм суды буға айналдыру үшін 2,3*106 Дж жылу қажет. Бұл жылу мөлшері меншікті булану жылуы. Меншікті жылу мөлшері L мен булану жылуы Q мына формула арқылы байланысқан:

---

Q = L*m

Мұндағы, m-сұйықтықтың салмағы.

Мысалы 2 килограмм суды буға айналдыру үшін Q = 2*2,3*106 = 4,6*106 Джоуль жылу қажет. Бұл қайнап тұрған суды буға айналдыру үшін керек жылу мөлшері, сонымен қатар суды қайнату үшін де жылу қажет. Эфирдің меншікті булану жылу мөлшері 4*105 Джоульге тең.
Q=Lm

M=Q/L; L=Q/m;

T=100

m=150г=0,150кг=345*10=345кДж

Т/к: Q-?

Шешуі: Q=Lm

L=2,3*1.0 Дж/кг

Шығарылуы:

Q=2,3*10 Дж/кг

0,150кг=0,345*10 Дж

Жауабы: 345 кДж.

Буланудың жасырын жылуы L -бұл 1 кг судың буға айналуына жұмсалатын энергия мөлшері, ол t 0°С су үшін 597 ккал/кг немесе 2258,5 кДж/кг. Меншікті булану жылуын L әрпімен белгілейді. Оның бірлігі: -1Дж/кг;

Қайнау температурасында алынған массасы m сұйықты буға айналдыруға жұмсалған Q жылу мөлшерін есептеу үшін меншікті булану жылуы L-ді массаға көбейту керек.

SI жүйесінде өлшем бірлігі үшін тұрақты температурада заттың 1 кг массасын буға айналдыруға 1Дж жылу мөлшері қажет болатын сұйықтың меншікті булану жылуы алынады. Мысалы, судың 373 К (100℃) температура кезіндегі меншікті булану жылуы 2,26 болады. Тәжірибе арқылы температура жоғарылаған кезде меншікті булану жылуының төмендейтінің білдік. Мұның себебі қыздырылған сұйықтың көлемі ұлғаяды. Осы кезде молекулалардың арақашықтықтары артады және молекулалардың өзара әрекеттесу күштері азаяды. Сонымен қатар температура неғұрлым жоғарлаған сайын сұйық молекулаларының Еілг орташа кинетикалық энергиясы да жоғары және олардың сұйықты тастап ұшып шығуы үшін қажетті энергиясы соғұрлым төмен болады.
Сұйықтықты буға айналдыруға қажетті жылу мөлшерін есептеу үшін:

Қайнау температурасында алынған кез келген сұйықтықтың кез келген массасын буға айналдыру үшін қажетті жылу мөлшерін есептеу үшін меншікті булану жылуын сұйықтың массасына көбейту керек:

Q=rm

r=q/m

Қайнау температурасындағы будың конденсациясы кезінде бөлетін жылу мөлшерін де осы формуламен есептейміз.

Судын қайнау температурасы 100 . Осы температураға дейін қыздырылған су қайнай бастайды. Қайнау температурасына жеткен сұйықтық булана бастайды. Бар жылу булануға кететіндіктен сұйықтықтың температурасы жоғарламайды. Сұйықтықтың қайнау температурасы қысымға тәуелді. Мысалы су биік тауларда 70 температурада қайнайды, себебі қысым таудың шыңында төмен болады. Судын ішіндегі ауа көпіршіктерінде су буы пайда болуы үшін, су буының қысымы судын ішіндегі қысымынан артық болуы керек. Эфирдің қайнау температурасы 35

---

Бу фазасынан тұндыру

Бу фазасынан физикалық тұндыру (PVD) -тұндыру параметрлерін мұқият басқарудың арқасында атомдық және нанометрлік масштабтағы микроқұрылымын бақылау мүмкіндігі бар жұқа пленкалы материал жасаудың әмбебап әдісі. Бастапқы материалды буландыру, тозаңдандыру немесе лазерлі абляциялау процестерінің нәтижесінде бу фазасының түзілуін РVD–процесі дейміз.Термиялық булану процесі тиглдің ішіндегі бастапқы материал немесе оның ұнтағын электр тогы не электрон шоғырының әсерімен қыздырған кезде атомдар немесе атом кластерлерінің тиглден түсуіне негізделген. Булану процесі вакуумды камерада жүреді. Бастапқы материал шығаратын бу фазасы төсемшеде конденсирленеді (2.1.-сурет). Кейбір көлемді материалдар басқаларымен салыстырғанда тезірек буланып кету себепті олардың бу фазаларының қысымдары әртүрлі болады. Сондықтан термиялық булану процесін көп компонентті жұқа пленка алу үшін қолдануға болмайды. Магнетронды тозаңдандыру процесін жоғарғы температурада балқитын материалдарды тұндыру үшін қолдануға болады, мысалы, баяу балқитын металдар мен керамикалар. Бұл жағдайда бу атомдарды тікелей қыздыру нәтижесінде емес, импульстің ионнан атомға берілу нәтижесінде түзіледі. Тозаңдандыру нәтижесінде алынған атомдар үлкен энергия тасымалдайды, ал магнетронды тозаңдандыру арқылы термиялық буландыру нәтижесінде алынған атомдардың массалық тығыздығы жоғары болады. Бірақ магнетронды тозаңдандыру кезіндегі тұндыру жылдамдығы термиялық булану кезіндегі тұндыру жылдамдығынан төмен. Лазерлі абляция процесі өте аз уақыт ішінде көп компонентті материалды буландыру процесімен бір мезгілде материал құрамын жоғары дәрежеде бақылай отыра тұндыруға мүмкіндік берді.



2.1-сурет. Буландыру процесі жүретін қарапайым қондырғының сызбалық суреті. Бастапқы материал термиялық булану кезінде қыздыру жібінің әсерінен қыздырылады немесе электронды–сәулелі булану кезінде электрон шоғыры әсер етеді.

Меншікті булану жылуы берілген сұйықтың бірлік массасы қайнау температурасында буға айналдыруға қажет жылу мөлшерін көрсетеді. Массасы m сұйықты буландыру үшін қажет жылу мөлшері мына формуламен анықталады:

---