布朗运动.doc

气溶胶灭火剂的性能（3）作者：三、气溶胶的动力学性质1．气溶胶粒子的力学问题一般而言，气溶胶粒子受到以下三种力的作用：（1）外力：如重力、电场力或离心力等；（2）周围介质的作用力：如气体介质对粒子运动的阻力，流体作为连续介质所形成的流体动力，流体中个别分子对粒子无规则撞击的热动力等；（3）粒子间相互作用的势力：如范德华力、库仑力等；气溶胶粒子的力学现象虽然形形色色，若从基本过程考虑，大体有三类：（1）粒子在重力作用下的沉降过程和外力作用下的沉淀过程或扬起过程；（2）粒子之间在三种力联合作用下的碰并过程；（3）粒子上的物质与传热过程。气溶胶粒子体系是一个多粒子体系，因此气溶胶粒子沉降等力学现象在大多数情况下是多粒子相互作用而产生的力学现象。多粒子力学即使在低雷诺数（Re）条件下也很难求解，为此在研究过程中总是把气溶胶粒子简化为一个孤粒子力学问题，同时又假定粒子形状为球形。因此，目前对气溶胶粒子的动力学研究仍较多地局限于球形粒子范围内。2．气溶胶的动力学气溶胶的动力学特性主要表现在三个方面：布朗运动、扩散、沉降与沉降平衡。其中最主要的是布朗运动，它是后两个特性的基础。另外，气溶胶还具有碰并和凝并的特点。（1）布朗运动1827年，英国植物学家布朗（Brown）在显微镜下观察到悬浮于水中的花粉粒子处于不停息的，无规则的运动状态。以后发现凡是线度小于4×10-6m的粒子，在分散介质中皆呈现这种运动，由于这种现象是由布朗首先发现的故称为布朗运动。气溶胶微粒的无规则热运动，是由于分散介质中气体分子的无规则热运动造成的。悬浮于气体中的微粒，处在气体分子的包围之中，气体分子一直处于不停的热运动状态，它们从四面八方连续不断地撞击着这些微粒。如果这些微粒相当大，则某一瞬间气体分子从各个方面对粒子的撞击可以彼此抵消，粒子便不会发生位移；若这些微粒较小时，则此种撞击便会不平衡，这意味着在某一瞬间，微粒从某一方向得到的冲量要多一些，因而会向某一方面发生位移，而在另一时刻，又从另一方向得到较多的冲量，因而又使其向另一方向运动，这样我们便能观察到微粒在不停地如图3-1所示的连续的、不断的、不规则的折线运动，由此可见，布朗运动是分子热运动的必然结果，是胶体粒子的热运动。1905年爱因斯坦用几率的概念和分子运动论的观点，创立了布郎运动的理论，并推导出爱因斯坦——布朗平均位移公式：X=（RTt/3NAπrη）1/2式中：X——t时间间隔内粒子的平均位移；r——微粒的半径；η——分散介质的粘度系数；T——温度；R——摩尔气体常数；NA——阿佛加德罗常数。由上式可知，当其它条件一定时，微粒的平均位移与其粒径的平方根呈反比，这就是说粒径越小，微粒的布朗运动越剧烈。（2）扩散在有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动而发生宏观上的定向迁移的现象，称为扩散。也就是说，产生扩散现象的主要原因是由于物质的粒子的布朗运动造成的。由于布朗运动是无规则的，因而就单个质点而言，它们向各个方向运动的几率均等。但在浓度较高的区域，由于单位体积内质点数较周围多，因而必定是“出多入少”，使浓度降低，而低浓度区域则刚好相反，这就表现为扩散。所以扩散是布朗运动的宏观表现，而布朗运动是扩散的微观基础。扩散服从菲克定律：dm/dt=DA（dc/dx）即单位时间内通过某截面的扩散量dm/dt与该截面各A浓度梯度dc/dx成正比。比例常数D即为扩散常数，D越大，粒子的扩散能力越强。爱因斯坦曾导出如下关系式：D=RT/（6NAπrη）式中：D——扩散常数；r——微粒的半径；η——分散介质的粘度系数；T——温度；R——摩尔气体常数；NA——阿佛加德罗常数。由上式可知，微粒的扩散与粒子的半径组成反比，这说明粒子的半径越小，扩散能力越强。（3）沉降与沉降平衡多相分散系统中的物质粒子因受重力作用而下沉的过程称为沉降。分散质的粒子所受到的作用力情况大致可分为两个作用，一是重力场的作用，它力图将粒子拉到地面；另一种是因布朗运动所产生的扩散作用，它力图使粒子趋于均匀分布。沉降与扩散是两个相反的作用，两者之间存在着相互竞争。对于一般真溶液，由于扩散作用占绝对优势，沉降现象不明显。对于粗分散系统，如浑浊的泥水、静置多时便可澄清，这主要是粒子的质量大，扩散速度很慢，沉降起主导作用，而使质量大的粒子沉积于容器底部。一般来说，粒子的粒径越小，布朗运动越强烈，扩散速率也愈大，因而粒子受重力作用下沉出现浓度梯度时，则必然导致反方向的扩散作用的加强，若扩散速率等于沉降速率，则系统达到沉降平衡。气溶胶粒子的沉降过程，是粒子在外力作用下和分散介质分离的过程，除重力沉降外，还包括着离心机的分离，中场中的沉降及化工工程中的反过程——流化床等。1851年斯托克斯用孤粒子沉降理论对极端稀薄体系的沉降问题进行了研究，并得出了著名的Stokes介质对球形粒子