第1章-非平衡態(tài)熱力學(xué)4

第1章非平衡態(tài)熱力學(xué)

Non-equilibriumThermodynamics第四講線性熱力學(xué)及其應(yīng)用2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE11.6.3）線性動電耦合現(xiàn)象

在兩個圓筒形的容器內(nèi)加入膠體溶液，容器下部用多孔性物質(zhì)或毛細(xì)管連接，容器內(nèi)插入電極，兩電極間的電位差為△φ,若有電流I流過，帶電的膠體粒子就在毛細(xì)管內(nèi)移動，并產(chǎn)生溶液的流動J，因此在兩個容器間就產(chǎn)生了因高度差而引起的壓差△p，其逆過程仍然是相同的，這就叫做動電效應(yīng)。動電效應(yīng)2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE2在動電效應(yīng)中，推動力為△φ,△p，流動通量是電流I，和溶液的流動J熵增率可表示為：現(xiàn)象方程式可表示為：L11：單位電動勢差作用下產(chǎn)生的電流；L22：單位壓力差作用下產(chǎn)生的物質(zhì)流；L12：單位壓力差作用下產(chǎn)生的電流；L21：單位電動勢差作用下產(chǎn)生的物質(zhì)流；在溫度一定的條件下，I，J，△φ,△p，四個變量之間有如下所述的關(guān)系，這些關(guān)系都可被實驗測量。3）線性動電耦合現(xiàn)象2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE3現(xiàn)象1：流動電位：當(dāng)施加一個壓力差越過毛細(xì)管，在開路（I=0)測量電位差，在壓力差下，會產(chǎn)生液體流動和電荷的移動，由于開路的條件，電荷不能被電極疏散，在毛細(xì)管每一端，就有凈的電荷聚集，建立起一個電位差和一個反向流動。在穩(wěn)定狀態(tài)，由于壓力差恰恰平衡了電流流動。電流不流動的電位差就是流動電位。可表示為：在抽提低導(dǎo)電流體時，可產(chǎn)生很大的流動電位。當(dāng)輸運汽油時，火花放電可產(chǎn)生強烈的爆炸。因此輸運系統(tǒng)的所有電器原件都接上了地線。1.6.3）線性動電耦合現(xiàn)象2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE4流動電位的測量與應(yīng)用1.6.3）線性動電耦合現(xiàn)象2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE503十一月2024現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE6固液界面流動電位形成原理及應(yīng)用03十一月2024現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE7流動電位在膜技術(shù)中的應(yīng)用03十一月2024現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE8現(xiàn)象2：電滲透流兩電極間有電流流過。毛細(xì)管壓力差為零。液體伴隨電荷流動而流動，就是電滲透流。可由下式表示：1.6.3）線性動電耦合現(xiàn)象電滲透是土壤中的孔隙水在電場中從一極向另一極的定向移動，非離子態(tài)污染物會隨著電滲透流移動而被去除2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE92024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE1003十一月2024現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE11將受污染潮濕土壤置于直流電場，就會在土壤中產(chǎn)生動電效應(yīng)(包括電遷移、電滲透流和電泳）電遷移：離子向相反電極的移動，溶于地下水中的帶電離子主要通過該方式遷移和去除電滲透：土壤中的孔隙水在電場中從一極向另一極的定向移動，非離子態(tài)污染物會隨著電滲透流移動而被去除電泳：帶電粒子或膠體在直流電場作用下的遷移，牢固地吸附在可移動顆粒上的污染物可采用該方式去除試驗證明，動電修復(fù)對低滲透性土壤中砷、鎘、鉻、汞和鉛等重金屬的去除率高達(dá)85%~95%，而對多孔、高滲透性的土壤中重金屬的去除率低于65%2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE12現(xiàn)象3：電滲透壓在兩個電極之間施加一個電位，同時產(chǎn)生電流和電流滲透。然而，壓力差沒有維持在零，一邊的液體被抽出，允許富集在另一邊。壓力差產(chǎn)生液體逆流，而且逆流恰好抵消電滲透。其結(jié)果是流體流動為零，這個壓力差就是電滲透壓，可表示為：1.6.3）線性動電耦合現(xiàn)象2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE13現(xiàn)象4：流動電流當(dāng)電位差為零（即電極短路），伴隨流體流動產(chǎn)生的電流，稱為流動電流。可表示為：3）線性動電耦合現(xiàn)象2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE14這些理論都可以用動力系理論獨立分析。將歐姆定律用于電流產(chǎn)生：K

電極的比電導(dǎo)。對于黏滯流體，波塞利定律給出r是管子的半徑η是黏度。基于固液界面處電荷分布的特殊模型，可得：1.6.3）線性動電耦合現(xiàn)象2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE15前述四個現(xiàn)象中，每一個都可以用一些精密的實驗得到，然而，根據(jù)昂薩格關(guān)系，只有兩個是獨立的：薩克生（Saxan）關(guān)系式，由1892年薩克生根據(jù)動力學(xué)模型推導(dǎo)出來的。3）線性動電耦合現(xiàn)象現(xiàn)象1流動電位現(xiàn)象2電滲透流現(xiàn)象3電流滲透現(xiàn)象4流動電流2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE16儲油（氣）巖石的滲透率概念在一定的壓差下，巖石允許流體通過的性質(zhì)稱為巖石的滲透性。從數(shù)量上度量巖石滲透性的參數(shù)就叫巖石的滲透率。滲透率就是巖石允許流體通過的能力。基本知識

相互接觸的固一液(氣）兩相，異號電荷分布在界面兩側(cè)，構(gòu)成雙電層結(jié)構(gòu)．若用外力作用使兩相發(fā)生相對運動，則沿運動方向?qū)a(chǎn)生電場；同樣，當(dāng)外界電場存在時，兩相將發(fā)生相對運動．這些效應(yīng)均為動電耦合或動電效應(yīng)．巖石的動電效應(yīng)源于流-固表面附近的雙電層?？紫读黧w中的負(fù)離子被化學(xué)吸附到孔道表面，使得孔道內(nèi)正離子占據(jù)優(yōu)勢。當(dāng)雙電層形成后，流體的流動和電流的流動會相互耦合，形成動電效應(yīng)?？椎乐械囊后w流動速度油1.6.3）線性動電耦合應(yīng)2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)17滲透率反映著地層的流體傳輸能力，是評價石油、天然氣儲層可開采特性的重要參數(shù)之一．利用固一液間的動電效應(yīng)可測量地層滲透率.基于動電效應(yīng)的巖芯滲透率實驗測量2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE18我國目前還沒有利用動電效應(yīng)測量滲透率的相關(guān)實驗設(shè)備，人們對于利用巖石動電效應(yīng)進(jìn)行勘探也尚存疑義．當(dāng)前實驗室測量滲透率主要采用氣測方法，該方法也存在一定的局限性，如高雷諾數(shù)情況下的湍流效應(yīng)等。鑒于滲透率對油氣勘探的重要性，尋找新的滲透率實驗測量方法，作為氣測方法的補充是有意義的．

流動電勢：信號源輸出低頻信號，經(jīng)功率放大器放大之后供給激振器，促使與其緊密接觸的振動膜作周期振動，進(jìn)而在巖芯兩端形成壓強差．

電滲實驗：信號源給交流電流源低頻激勵，使其產(chǎn)生一個與信號源同頻的電流，電流通過導(dǎo)通電極流過巖芯，在巖芯兩端形成電位差．

2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE19儲油巖石滲透率的大小滲透率是儲油（氣）巖物性的重要參數(shù)，不論對油氣運移聚集，還是油（氣）田開發(fā)都是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但其數(shù)值在不同的油（氣）層中相差很大，由幾個毫達(dá)西到幾千個毫達(dá)西。我國和世界一些油田的滲透率（據(jù)徐獻(xiàn)中）2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)20動電效應(yīng)在美國井下采礦中的應(yīng)用1.6.3）線性動電耦合應(yīng)用3.井下采礦，要防止排棄沉淀緩慢的礦泥對環(huán)境的污染。美國礦山局用動電固化解決這一問題。利用動電力學(xué)效應(yīng)加速尾礦的沉淀,使?jié){狀體中的固體顆粒變成堅固、致密的充填體。動電力學(xué)原理：選廠尾礦里含二氧化硅顆粒帶負(fù)電荷，電荷使粒子間互相排斥懸浮在水中，延緩沉降并妨礙固結(jié)。帶負(fù)電荷的固體顆粒周圍的水有大量的正離子存在,這些正離子使水顯正電性。埋在泥漿里的兩個電極通以直流電,建立電場,將使帶負(fù)電荷的尾砂向陽極遷移。而帶有正電荷的水流向陰極。雖然泥漿里的水大部分不帶電荷,但是由于受到流動著的水的粘性牽動,仍然被推向陰極。動電效應(yīng)的結(jié)果是加速固態(tài)和液態(tài)的分離。假如電極附近聚集的水能被排泄掉,最終將形成濃縮的固結(jié)體。通過這種方法，礦泥密實到足以允許用裝巖機和礦車運搬。動電效應(yīng)是清理井底水倉的一個有效和實際的方法。2024/11/3現(xiàn)代物化非平衡態(tài)熱力學(xué)PAGE21關(guān)于動電效應(yīng)的新發(fā)明：2002年英國《新科學(xué)家》周刊介紹，一種能夠減少阻力的新發(fā)明問世，輪船、飛機和汽車在速度和節(jié)能方面將大大推進(jìn)一步。這種覆蓋在交通工具