Поверхностное натяжение газов в топливах

Сила, действующая касательно к поверхности и стремящаяся сократить свободную поверхность жидкости до наименьших воз­можных пределов при заданном объеме, называется поверхност­ным натяжением. Поскольку поверхностное натяжение является работой образования единицы новой поверхности (свободная энергия единицы поверхности), она измеряется либо в эрг/см², либо в дин/см. Жидкость в отсутствие внешних сил под действием своего поверхностного натяжения принимает форму шара (капли).

Поверхностное натяжение жидкости зависит от температуры, природы граничащей среды и растворенных в жидкости примесей. С ростом температуры поверхностное натяжение жидкости умень­шается и при критической для нее температуре обращается в нуль. В присутствии в окружающей жидкое топливо среде поверхностно-активных веществ, способных адсорбироваться на его по­верхности, поверхностное натяжение топлива будет резко сни­жаться. Растворенные в топливе вещества (сернистые, азотистые, кислородные соединения, смолы, вода, кислород и другие газы) могут сильно изменять в ту или иную сторону его поверхностное натяжение по сравнению с поверхностным натяжением топлива, не содержащего этих примесей.

Повышение давления газов над жидкими углеводородами и топливом вызывает уменьшение их поверхностного натяжения. В условиях пониженного давления поверхностное натяжение жид­кости несколько возрастает.

Поверхностное натяжение топлива на границе жидкость—воз­дух необходимо учитывать при оценке степени его распыливания в зоне сгорания двигателя. Чем выше поверхностное натяжение топлива, тем грубее его распыливание (в сравнимых условиях).

Углеводороды, выкипающие в пределах 65—300 °С, при 20 °С на границе жидкость—воздух характеризуются следующими ве­личинами поверхностного натяжения (в дин/см):

Таким образом, в одинаковых условиях лучшим распределе­нием при распыливании будут отличаться алканы.

Поверхностное натяжение для углеводородов и их смесей при температуре, изменяющейся в пределах от —30 до 100 °С, можно подсчитать (с точностью до 10%) по формуле:

?_T = ?₀ — аt

где ?_T — поверхностное натяжение на границе жидкость— воздух при заданной температуре и нормальном давлении; ?₀ — поверх­ностное натяжение при 0 °С и нормальном давлении; а — коэф­фициент, равный 10^-4.

Зависимость поверхностного натяжения от температуры может быть выражена эмпирическим уравнением:

?_T = М (а — bТ)

где М — молекулярный вес углеводородов; а и b — константы (табл. 71); Т — температура, °К.

Это уравнение можно применять с достаточной точностью для всех углеводородов. (Ошибка подсчета для алканов ±0,15%.)

Зависимость поверхностного натяжения топлив от температуры может быть выражена также уравнением:

где ?—поверхностное натяжение, дин/см; К — константа, равная 0,07—0,10.

Если требуется вычислить поверхностное натяжение углеводородов и топлив на границе с воздухом, удобно пользоваться формулой:

в которой величина поверхностного натяжения связана с плот­ностью ?₄²⁰. Уравнение пригодно для всех углеводородных топлив, плотность которых при 20 °С составляет 0,60—0,92 г/см³.

В пределах от 20 до —50°С по­верхностное натяжение будет изме­няться для октана от 21,78 до 28,64, для нонана от 22,94 до 29,53, для дека­на (в пределах от 20 до —30°С) от 23,87 до 28,42 дин/см. Для диарилалканов (1,1-ди-n-толилэтан; 1-о-толил-1-n-толилэтан; 1 -м-толил-1-о-толилэтан; 2,2-ди-n-толилбутан) поверхностное на­тяжение при 30°С возрастает до 33,6— 36,1 дин/см. Поверхностное натяжение товарных дизельных топлив при 20°С составляет от 26 до 31 дин/см.

С увеличением молекулярного веса углеводородов поверхностное натяже­ние топливных фракций возрастает. Этому способствуют в значительной мере содержащиеся в топливных фракциях неуглеводородные (кислород-, се­ро-, азотсодержащие) соединения и прежде всего смолы — сильные по­верхностно-активные вещества.

О том, как изменяется поверхност­ное натяжение нефтепродуктов в за­висимости от температуры, дает представление рис. 55.

В табл. 72 приведено поверхностное натяжение некоторых среднедистиллятных топлив в зависимости от температуры.

С повышением плотности топлива его поверхностное натяже­ние увеличивается. Эта зависимость может быть выражена урав­нением:

? = 51,5 ? —16,6