Флюид – это состояние вещества, которое можно описывать с помощью законов гидродинамики.
Для флюида характерно то, что если приложить касательное напряжение, то будет происходить последовательная деформация материи. При этом вязкость вещества определяет сопротивление деформирующей силе.
Заметим, что как флюиды способны вести себя:
- газы,
- жидкости,
- твердые тела.
Чаще всего термин флюид относят к газам, плотность которых соответствует плотности жидкости, но способных расширяться как газы (неограниченно).
Твердые тела способны проявлять себя в качестве флюидов. При превышении времени действия силы над временем релаксации тело может течь, то есть вести себя как жидкость.
В физике термин флюид появился примерно в XVII веке. Он обозначал гипотетическую жидкость, при помощи которой поясняли природные явления и процессы. Так, к флюидам относили:
Статья: Гипотеза флюида в физике
- теплород,
- флогистон.
Сверхкритический флюид
Сверхкритическими флюидами называют форму агрегатного состояния вещества, в которую могут перейти некоторые вещества, если достигнута определенная температура и давление.
Это нечто среднее между жидкостью и газом.
К свойствам сверхкритических флюидов относят:
- их способность сжиматься как газы,
- их возможность растворения твердых веществ, которая газам не свойственна.
Данные флюиды имеют свойства органических растворителей (у них высокая растворяющая способность), но гораздо меньшую вязкость, чем у их жидких аналогов.
Сверхкритические флюиды обладают коэффициентом диффузии в $10-10^2$ раз большим, чем у жидкостей, что интенсифицирует массобмен веществ.
Эти флюиды имеют большую селективность, если сравнивать их с органическими растворителями, что можно объяснить зависимостью способности к растворению сверхкритических флюидов от их давления и температуры.
К существенным недостаткам использования сверхкритических флюидов в качестве растворителей относят работу с ними в состоянии периодического процесса.
Пионерские работы, рассматривающие поведение сверхкритических газов были предложены К. де ля Туром в XIX веке. Исследователь показал, что при температурах выше некоторых значений фазовые границы исчезали.
Через некоторое время Хенней и Хогарт описали способности газов в сверхкритических состояниях растворять твердые вещества.
Ван-дер-Ваальс разработал термодинамическую концепцию сверхкритического состояния одно и двух компонентных систем. Этим было дано начало системе исследований процессов, которые происходят около критической точки.
На первом этапе исследований особенных практических результатов получено не было, поскольку было сложно реализовать технические условия поддержания соответствующих давления и температуры.
Всплеск интереса к сверхкритическим флюидам возник в мире науки в XX веке. В этот период труды четырех ученых данного направления получили признание в виде Нобелевской премии. Среди них были:
- Л. Онзагер,
- Л. Ландау,
- К. Вильсон,
- П. Де Жен.
Сверхкритические флюиды стали использовать с начала 80-х годов прошлого века. В это время уровень развития технологий сделал возможным получение данных флюидов доступным.
Экспериментаторы акцентировали свое внимание на:
- большой растворяющей способности данных флюидов;
- высоком коэффициенте диффузии, который дает возможность проникновения этих веществ в глубокие слои твердых тел.
Самым известным и применяемым флюидом этого рода стал сверхкритический $CO_2$. Оказалось, что $CO_2$ приводится в сверхкритическое состояние при $t_{kr}=31^0$ и $p_{kr}=73,8$ атм. Кроме того $CO_2$ не является опасным, поскольку:
- не горит,
- не взрывается,
- не является ядовитым,
- не загрязняет окружающую среду
- стоит не дорого. $CO_2$ в сверхкритическом состоянии, считают экологическим растворителем.
Газы в сверхкритических состояниях применяют для разделения веществ при:
- обработке угля,
- продуктов нефтепереработки,
- обессоливания морской воды,
- регенерации адсорбентов,
- некоторых смесей.
Последнее время сверхкритические флюиды используют:
- при обработке полимеров,
- в создании наночастиц,
- получая биоматериал;
- экстракции и т.д.
Флогистон как флюид, обеспечивающий горение
Обратим свое внимание на ошибочную теорию, в которой используется термин флюид.
Флогистон – это гипотетический невесомый флюид, имеющийся во всех телах, способных к горению. Предполагалось, что он высвобождается в процессе горения.
Учение о флогистоне возникло в конце XVII века, и было распространено в XVIII. Его господство продолжалось почти сто лет.
Смысл теории о флогистоне можно сформулировать следующими положениями:
- В телах способных к горению имеется материальная компонента, названная флогистоном.
- Горение можно определить как процесс разложения тела, при котором происходит выделение флогистона, с последующим рассеиванием его в воздухе.
- Воздух является растворителем флогистона. При помощи определённого количеств воздуха можно растворить определенное количество флогистона, так поясняется прекращение горения в изолированном пространстве.
- В процессе горения флогистон выделяется из тела в виде вихрей, в этом случае можно наблюдать огонь.
- Растения способны получать флогистон из воздуха.
- Человек не может выделить флогистон в чистом виде.
- Вещества, которые могут сгорать без остатка, имеют наибольший процент флогистона в своем составе.
- Флогистон – это вещество с отрицательной массой.
- Флогистон является самой легкой материальной субстанцией.
Теплород как флюид, обеспечивающий теплопередачу
Еще одной теорией о флюиде, была теория теплорода.
Теплородом в XVIII – начале XIX века считали невесомый флюид, который должен присутствовать в любом теле, и обеспечивать тепловые явления.
Так, поступление телу теплорода должно было вызывать увеличение температуры тела, в результате уменьшения теплорода должен идти процесс охлаждения.
Считалось, что количество теплорода в термодинамических процессах не изменяется.
Ярым противником теплорода стал М. В. Ломоносов, который был приверженцем молекулярно-кинетической теории.
