Статикалық жанасу бұрышы

Жұмыс түрі: Курстық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 24 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасы Білім және ғылым министрлігі
Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Механика-математика факультеті
Механика кафедрасы
5В060300 - МЕХАНИКА

ПӘН: Сұйықтар және газдар механикасы
Тамшының көлбеу бет бойымен қозғалуын жанасу бұрышына тәуелділігін зерттеу
тақырыбы бойынша
ЖОБА ЕСЕБІ

Орындаған: ___________________________________ __________ Дәуіт Д.Б
Қабылдаған:________________________ __________________Туралина Д.Е

Алматы. 2021 жМазмұны

I БӨЛІМ. Кіріспе бөлімі
Әдебиеттік шолу
Мәселенің өзектілігі
II БӨЛІМ. Есептің қойылымы
Есептің физикалық қойылымы
Есептің математикалық қойылымы
III БӨЛІМ. Эксперименттік зерттеу әдісі
Мәселені шешу әдісі
Таңдалған зерттеу әдісіне сәйкес түсініктеме
Зерттеу жүргізу реті
Зерттеу нәтижелері
IV БӨЛІМ. Сандық зерттеу әдісі
Мәселені шешу әдісі
Зерттеу жүргізу реті
Зерттеу нәтижелері
Тор конфигурациясы
V БӨЛІМ. Глоссарий
VI БӨЛІМ. Қорытынды бөлім
VII БӨЛІМ. Қолданылған деректер тізімі.

Кіріспе
Әдебиеттік шолу
Көлбеу бетке тұрғызылған тамшыны орнынан қозғалуға алып келетін критикалық көлем мәні [1] жұмыста қарастырылған. Сұйықтық тамшысы ауырлық күшіне қарамастан көлбеу жазықтықта тұрып қалуы мүмкін, егер жанасу бұрышы тамшының артқы бөлігінің ішінде болса ( гистерезис бұрышы).Артқы бұрыш алдыңғы бұрыштан аз, ауырлық күшіне қарсы капиллярлық күштер әсер етеді.. Капиллярлық күш (ол бұрыштардың косинустарымен байланысты) тамшының салмағына кері пропорционал. Капиллярлық күштер ауырлық күшінен үлкен болса, тамшы көлбеу бетте тұрып қалады. Ауырлық күшін капиллярлық күштерден үлкен болатындай етіп алатын болсақ, яғни, тамшының көлемін ұлғайтсақ, тамшы көлбеу бетте сырғи бастайды. Көлбеу бұрышы тұрақты қатты бетте тамшының көлемі қандай мәнге жеткенде сырғи бастайтыны қарастырылған. Сұйық қасиеттерін сипаттайтын шамалардың, жанасу бұрыштары, тамшы диаметрі т.с.с шамалар көмегімен тамшы көлемінің критикалық мәні есептелген. Тамшы көлемі осы критикалық мәнге жеткенде көлбеу беттің бойымен сырғиды.
Табиғатта жанасу бұрыштары әр түрлі жағдайда кездеседі. Осындай әртүрлі жағдайдағы жанасу бұрыштарын есептеу әдістері [2] жұмыста айтылған. Жанасу бұрышы кездесетін жағдайлар көрсетілген. Әр жағдайға сәйкес келетін жанасу бұрыштарын анықтау әдістері: телескоп-гониометр арқылы өлшеу, көпіршік әдісі (Captive Bubble Method),көлбеу пластина әдісі, Вильгелм балансының әдісі, Capillary Rise at a Vertical Plate, Individual Fiber, Capillary Tube, Capillary Penetration Method for Powders and Granules, Capillary Bridge Method әдістері қарастырылған.
Силикон майы,глицерин,гексадекан сұйықтарының шыны, полистирол и полиметил метакрилат (ПММА) қатты денелерде ылғалдануы, жанасу бұрыштары [3] жұмыста қарастырылған.
Микроструктуралы гидрофобты бетке тамшы тұрғызылған кездегі жанасу бұрышы қарастырылған. Кэсси Бакстер күйіндегі сұйық тамшысы мен микроструктуралы гидрофобты беттегі сұйық тамшысының күйлері [4] жұмыста салыстырылған.

Мәселенің өзектілігі
Жобаның өзектілігі:
Тамшы эффектісі қоршаған ортада кеңінен таралған құбылыс.Тамшы эффектісі бүгінде ғылымның әр түрлі салаларында маңызды рөл атқарады. Ылғалдандыру тақырыбы фундаменталды және қолданбалы тұрғыдан үлкен қызығушылыққа ие. Ол көптеген өндірістік процестерде маңызды рөл атқарады. Дәлірек айтқанда , энергетика (жоғары қарқынды жылу алмасу жүйелерінің құрылысы), химия өнеркәсібі (сұйықтықтарды тасымалдау, бөлу), авиация (өзін-өзі тазартатын, буланбайтын, су өткізбейтін беттерді құру), машина жасау (жылу қозғалтқыштарын дамыту), медицина (микробқа қарсы беттерді құру). Соңғы жылдары супергидрофобты беттерді, мысалы, өзін-өзі тазарту, нанопластика және электр тоғыту сияқты салаларда қолдану мүмкіндігіне байланысты қызығушылық арта бастады Сонымен қатар, ылғалдандыру пласттағы мұнай мен судың таралуын бақылайтын және реттейтін негізгі факторлардың бірі болып табылады. Мұнай өндіру процессінің әдістері мен тиімділігіне әсер етеді. . Ылғалдылықты зерттеу, әдетте, қатты және сұйықтық өзара әрекеттескен кезде сулану дәрежесін көрсететін бастапқы деректер ретінде жанасу бұрыштарын өлшейді. Сондықтан ылғалдандыру құбылысын, қатты дене мен сұйықтың жанасу бұрышын зерттеу өзекті болып табылады.

Жобаның мақсаты:
Горизонталь және көлбеу орналасқан беттерде орналасқан тамшының жанасу бұрышын есептеу. Жанасу бұрышына сұйықтың қасиетінің әсерін зерттеу.Тамшы есебінің модельін тұрғызу.

Зерттеу әдісі:
Жобалық жұмыста тәжірибелік әдіс пен сандық модельдеу әдісі қолданылды.

Түйінді сөздер: ылғалдандыру ,жанасу бұрышы, статикалық жанасу бұрышы, динамикалық жанасу бұрышы, көлбеу (сырғу) бұрышы, беттік керілу, COMSOL Multiphysics .

II БӨЛІМ. Есептің қойылымы
Есептің физикалық қойылымы
Ылғалдандыру - бұл фазалар арасында пайда болатын беттік құбылыс, оның біреуі қатты, ал екіншілері сұйықтық және газ. Ылғалдылық сұйықтықтың қатты бетке ішінара немесе толық таралуынан, кеуекті денелер мен ұнтақтардың сіңдірілуінен көрінеді.
Ылғалдану құбылысына қатысатын фазалар санына байланысты екі негізгі жағдай орын алады:
1. Қатты денені сұйықтыққа толық батыру кезінде ылғалдандыру (сұйыққа батыру немесе иммерсионды ылғалдану ), оған тек екі фаза қатысады - сұйық және қатты зат. Сұйыққа батыру (иммерсионды ылғалдану) әдетте ұнтақтар мен ұсақ бөлшектер суланған кезде жүзеге асырылады.
2. Сұйықтықпен және қатты затпен бірге үшінші фаза қатысатын - газбен немесе басқа сұйықтықпен жанасатын ылғалдану - (контактілі ылғалдану).
Ылғалдану сипаты, ең алдымен, ылғалдануға қатысатын екі фаза арасындағы беттердің өзара физико-химиялық әрекеттесулермен анықталады. Иммерсионды ылғалдануы кезіндегі осы өзара әрекеттесулердің қарқындылығы ылғалдану жылуымен сипатталады. Контактілі ылғалдану сұйық пен қатты дененің беттері арасындағы бұрыш- θ жанасу бұрышы мәнімен сипатталады. Нақтырақ, жанасу бұрышы - сұйық беттің қатты беттің суланған бөлігіне көлбеу бұрышы. Жанасу бұрышынның мәніне байланысты негізгі 3 жағдай қарастырылады:
Ылғалданбайды: θ=180°
Толық ылғалданады: θ=0°
Ылғалданады:
Нашар ылғалдану: θ90°
Жақсы ылғалдану: θ90°
Елеусіз ылғалдану (wetting or no wetting): θ=90°
Сумен ылғалдану характеристикасына байланысты барлық қатты заттар үш топқа бөоінеді:
Гидрофильді материалдар, сумен жақсы ылғалданады: θ90° (кальцит, кварц, силикаттар т.б);
Гидрофобты материалдар, сумен нашар ылғалданады: θ90° (графит,көмір,сера т.б);
Абсолютті гидрофобты материалда : θ150° (парафин,тефлон т.б);
Беттік керілу - фазалар арасындағы беттегі бірлік ауданға келетін энергия(бірлік қашықтыққа келетін күш).Қатты дененің сұйықтықпен сулануын беттік керілу күштерінің әрекеті нәтижесінде түсіндіруге болады. Ылғалдануға қатысатын фазалардың байланысын сипаттайтын термодинамикалық шама σ беттік керілу болып табылады.
Адгезия - екі түрлі фазадағы денелердің (қатты және сұйық) беттерінің ілінуі.. Адгезия беткі қабаттағы молекулааралық өзара әрекеттесулерге негізделген және фазалар арасындағы беттерді бөлуге қажет нақты жұмыспен сипатталады. Сұйық пен қатты фазалардың өзара әрекеттесуі сұйықтыққа қысқа қашықтыққа созылады. Сұйық қабаты қатты дененің бетінен алыстаған сайын, адгезиялық өзара әрекеттесу азаяды, ал когезиондыға айналады. Когезия дегеніміз - сұйық фазаның негізгі бөлігіндегі молекулалар арасындағы байланысты. Ылғалдану - сұйық молекулалардың қатты денелердің молекулаларымен әрекеттесуі нәтижесінде пайда болатын және қатты бетке жақын сұйық бетінің қисаюына әкелетін құбылыс. Қатты затпен жанасатын сұйықтық бетінің пішіні, қандай тарту күштері үлкен болатынына байланысты: сұйық пен қатты дененің молекулалары арасында немесе сұйықтықтың өз молекулалары арасында.
Беттік керілу - фазалар арасындағы беттегі бәрләк ауданға келетін энергия(бірлік қашықтыққа келетін күш).
Фазааралаық керілу:
Фазазаралық бетте молекулярлық күштердің балансының бұзылуы.
Шекара минималды өлшемге дейін кішірейеді
Адгезионды және когезионды күштер әсер етеді.
Беттік керілу әсерінен су немесе сұйық сфералық формаға ие болады. Сұйық молекулалары бір-біріне тартылады. Сұйық фазаның негізгі бөлігіндегі молекулалар арасындағы байланысты когезия немесе іліну күші деп аталады. Су молекулалары топтасады, когезия әсерінен молекуланы барлық бағыттарға көрші молекулалар бірдей тартады.Сұйық бетінің үстінде су молекулалар жоқ. Сұйық бетіндегі молекулалар сұйықтың негізгі бөлігіндегі молекулалармен салыстырғанда шектелуі аз (менее ограничены) және жоғарғы энергия күйінде болады. Бұл сұйық бетіндегі молекулалардың күштірек топтасуына мүмкіндік береді. Осылай молекулалар арасындағы тығыз байланыс сұйық бетінің астындағы молекулалардың кернеуін тудырады. Сұйықтың негізгі бөлігіндегі молекулалар сұйық бетіндегі молекулалардың топтасуына жол бермейді. Сұйық бетіндегі молекулаларға әсер ететін күштер тек бүйірге және төменге бағытталғандықтан, сұйықтық сфералық пішінді құрайды [5].

Сурет 1. Беттік керілу

Беттік энергия - бұл сұйықтықтың ішкі бөлігіндегі потенциалдық энергиямен салыстырғанда беткі қабаттағы молекулалардың артық потенциалдық энергиясы.
Потенциалдық энергияны азайту үшін (әр жүйе минималды потенциалдық энергияға ұмтылады) сұйықтық бетіндегі молекулалар санын азайтуға ұмтылады - яғни оның бетін мүмкіндігінше азайтуға, кішірейтуге тырысады.
Беттік керілу коэффициенті сан жағынан дымқылдану периметрінің бірлігіне әсер ететін және осы периметрге перпендикуляр бағытталған күшке тең:
σ=Fl;Нм (1)
Сондай-ақ, беттің керілу коэффициентін сұйықтықтың бетін ұлғайту үшін жасалуы керек жұмыс арқылы анықтауға болады:
σ=A∆S; [Нм] (1a)
Бұл жұмыс сұйықтықтың еркін бетін ұлғайтуға бағытталған, ал сұйықтықтың беттік керілу коэффициенті сандық түрде сұйық қабықшаның бірлік бетінің потенциалдық энергиясына тең:
σ=∆W∆S; [Нм] (1b)

Сурет 2. Жанасу бұрышы

Ылғалдандырудың қандай-да бір мөлшерін анықтау үшін жанасу бұрышы енгізіледі. Бұл жанасу кезінде қатты және сұйық беттердің жанама түзулерінің арасында түзетін бұрышы.
Жанасу бұрышы θ - сұйық тамшы мен қатты немесе басқа фазаның беті арасында пайда болатын бұрыш. Жанасу бұрышы сұйықтың бетте қаншалықты жақсы немесе қаншалықты нашар жайлатынын көрсетеді.Жабыныштарды (покрытие), сияларды және бояуларды тұжырымдау кезінде, жанасу бұрышы бояу немесе сияның қасиеттерінің өзгеруі қатты бетке жайылуына әсерін көрсететін негізгі сипаттаманы береді.Негізінен жанасу бұрышы сұйықтықтың қатты бетпен өзара әрекеттесуін білдіреді.[2]
Статикалық жанасу бұрышы. Статикалық жанасу бұрышы сұйық тамшы қатты бетке қозғалмай тұрған кезде өлшенеді.
Сурет 3. Қатты дененің ылғалдануына байланысты статикалық жанасу бұрышының шамалары

Динамикалық жанасу бұрышы. Динамикалық байланыс бұрышы фазалар арасындағы бет қозғалғанда және статикалық байланыс бұрышы уақытқа байланысты өзгергенде өлшенеді. Динамикалық байланыс бұрышы екі түрге бөлінеді - алға жылжу θa және шегінуθr. Өлшеуді екі тәсілмен жасауға болады - тамшы көлемін өзгерту әдісі және тіреуді еңкейту әдісі.
Алға жылжу жанасу бұрышы θa: ең үлкен жанасу бұрышы, қосымша сұйықтық қосып фазалар арасындағы бет аймағын ұлғайту арқылы жүзеге асырылады [2][6].
Шегіну жанасу бұрышы θr.: сұйықтық тамшысының көлемі азайған кезде пайда болады.
а)
б)
Сурет 4. Динамикалық жанасу бұрышының түрлері:
а) Алға жылжу жанасу бұрышы θa ,б) Шегіну жанасу бұрышы θr

Бірдей қоршаған орта параметрлерінде (қысым, температура) қатты бет ылғалданған кезде, олардың түзілу шарттарына байланысты статикалық байланыс бұрыштары әртүрлі мәндерге ие бола алады. Бұл құбылыс ылғалдану гистерезисі деп аталады.
Гистерезис бұрышы θH: бұл алға жылжу мен шегіну бұрыштарының арасындағы айырмашылық
θH=θa-θr (2)

Сурет 5. Көлбеу орналасқан қатты бетке тұрғызылған су тамшысы мен жанасу бұрыштары

Ылғалдану және жайылу құбылыстары когезия мен адгезия күштерінің әрекетімен тығыз байланысты. Сандық жағынан когезия мен адгезия - Wc когезия жұмысының және Wа адгезия жұмысының мәнімен сипатталады.
Адгезия жұмысы қатты дененің бірлік бетінен сұйықтықты кетіру үшін жұмсалуы керек жұмысқа тең және формула бойынша анықталады(Дюпре формуласы):
Wa=σтг-σтж+σжг (3)
Когезия келесі формуламен анықталады:
Wк=2σж (4)
Дюпре теңдеуі газбен (ауамен) және сұйықтықпен түйісу кезінде қатты денелердің беттік керілуін анықтау қиындықтарына байланысты адгезия жұмысын есептеу үшін қолданылмайды. Дюпре теңдеуін Юнг заңымен біріктіру нәтижесінде алынған қатынас осы мәнді есептеу үшін ыңғайлы түрге ие. Егер Дюпре теңдеуіндегі σжг-σтжайырмасы оны Юнг заңынан алынған өрнекпен алмастырса
σжг-σтж=σтгcosθ (5)
Wa=σтг+σтгcosθ=σтг(1+cosθ) (6)
Бұл теңдеуді Дюпре - Юнг теңдеу ідеп атайды: ол адгезия жұмысын жанасу бұрышымен байланыстырады және егер сұйықтықтың беткі керілуі мен жанасу бұрышы белгілі болса, адгезия жұмысын есептеуге мүмкіндік береді. Бұл екі шаманы да эксперименталды түрде салыстырмалы түрде оңай анықтауға болады.
Есептің математикалық қойылымы (негізгі теңдеулер,бастапқы және шекаралық шарттар)
Ылғалдану- сұйықтықтың қисық бетіне жанама АВ мен ылғалданған бетке жанама АА арасындағы беттік құбылыс.
Сурет 6. Қатты-сұйық-газ фазалары арасындағы беттік керілу

Бастапқы Янг теңдеуі байланыс сызығындағы күш тепе-теңдігіне негізделген тепе-теңдік байланыс бұрышын болжайды:
σжг-σтж=σтгcosθ (7)
σжг - сұйық пен газ фазасының тепе-теңдік күйі;
σтг - қатты фаза мен газ фазасы арасындағы тепе-теңдік күй;
σтж - қатты және сұйық фазалар арасындағы тепе-теңдік күй;
θ - жанасу бұрышы.
Гиббс тұжырымдамасына сүйене отырып, Янг теңдеуін кернеу сызығының әсерінен тепе-теңдік емес байланыс бұрышын есептеу үшін кернеу сызығының ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.