第1章-非平衡态热力学4

第1章非平衡态热力学

Non-equilibriumThermodynamics第四讲线性热力学及其应用2024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE11.6.3）线性动电耦合现象

在两个圆筒形的容器内加入胶体溶液，容器下部用多孔性物质或毛细管连接，容器内插入电极，两电极间的电位差为△φ,若有电流I流过，带电的胶体粒子就在毛细管内移动，并产生溶液的流动J，因此在两个容器间就产生了因高度差而引起的压差△p，其逆过程仍然是相同的，这就叫做动电效应。动电效应2024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE2在动电效应中，推动力为△φ,△p，流动通量是电流I，和溶液的流动J熵增率可表示为：现象方程式可表示为：L11：单位电动势差作用下产生的电流；L22：单位压力差作用下产生的物质流；L12：单位压力差作用下产生的电流；L21：单位电动势差作用下产生的物质流；在温度一定的条件下，I，J，△φ,△p，四个变量之间有如下所述的关系，这些关系都可被实验测量。3）线性动电耦合现象2024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE3现象1：流动电位：当施加一个压力差越过毛细管，在开路（I=0)测量电位差，在压力差下，会产生液体流动和电荷的移动，由于开路的条件，电荷不能被电极疏散，在毛细管每一端，就有净的电荷聚集，建立起一个电位差和一个反向流动。在稳定状态，由于压力差恰恰平衡了电流流动。电流不流动的电位差就是流动电位。可表示为：在抽提低导电流体时，可产生很大的流动电位。当输运汽油时，火花放电可产生强烈的爆炸。因此输运系统的所有电器原件都接上了地线。1.6.3）线性动电耦合现象2024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE4流动电位的测量与应用1.6.3）线性动电耦合现象2024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE503十一月2024现代物化非平衡态热力学PAGE6固液界面流动电位形成原理及应用03十一月2024现代物化非平衡态热力学PAGE7流动电位在膜技术中的应用03十一月2024现代物化非平衡态热力学PAGE8现象2：电渗透流两电极间有电流流过。毛细管压力差为零。液体伴随电荷流动而流动，就是电渗透流。可由下式表示：1.6.3）线性动电耦合现象电渗透是土壤中的孔隙水在电场中从一极向另一极的定向移动，非离子态污染物会随着电渗透流移动而被去除2024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE92024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE1003十一月2024现代物化非平衡态热力学PAGE11将受污染潮湿土壤置于直流电场，就会在土壤中产生动电效应(包括电迁移、电渗透流和电泳）电迁移：离子向相反电极的移动，溶于地下水中的带电离子主要通过该方式迁移和去除电渗透：土壤中的孔隙水在电场中从一极向另一极的定向移动，非离子态污染物会随着电渗透流移动而被去除电泳：带电粒子或胶体在直流电场作用下的迁移，牢固地吸附在可移动颗粒上的污染物可采用该方式去除试验证明，动电修复对低渗透性土壤中砷、镉、铬、汞和铅等重金属的去除率高达85%~95%，而对多孔、高渗透性的土壤中重金属的去除率低于65%2024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE12现象3：电渗透压在两个电极之间施加一个电位，同时产生电流和电流渗透。然而，压力差没有维持在零，一边的液体被抽出，允许富集在另一边。压力差产生液体逆流，而且逆流恰好抵消电渗透。其结果是流体流动为零，这个压力差就是电渗透压，可表示为：1.6.3）线性动电耦合现象2024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE13现象4：流动电流当电位差为零（即电极短路），伴随流体流动产生的电流，称为流动电流。可表示为：3）线性动电耦合现象2024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE14这些理论都可以用动力系理论独立分析。将欧姆定律用于电流产生：K

电极的比电导。对于黏滞流体，波塞利定律给出r是管子的半径η是黏度。基于固液界面处电荷分布的特殊模型，可得：1.6.3）线性动电耦合现象2024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE15前述四个现象中，每一个都可以用一些精密的实验得到，然而，根据昂萨格关系，只有两个是独立的：萨克生（Saxan）关系式，由1892年萨克生根据动力学模型推导出来的。3）线性动电耦合现象现象1流动电位现象2电渗透流现象3电流渗透现象4流动电流2024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE16储油（气）岩石的渗透率概念在一定的压差下，岩石允许流体通过的性质称为岩石的渗透性。从数量上度量岩石渗透性的参数就叫岩石的渗透率。渗透率就是岩石允许流体通过的能力。基本知识

相互接触的固一液(气）两相，异号电荷分布在界面两侧，构成双电层结构．若用外力作用使两相发生相对运动，则沿运动方向将产生电场；同样，当外界电场存在时，两相将发生相对运动．这些效应均为动电耦合或动电效应．岩石的动电效应源于流-固表面附近的双电层。孔隙流体中的负离子被化学吸附到孔道表面，使得孔道内正离子占据优势。当双电层形成后，流体的流动和电流的流动会相互耦合，形成动电效应。孔道中的液体流动速度油1.6.3）线性动电耦合应2024/11/3现代物化非平衡态热力学17渗透率反映着地层的流体传输能力，是评价石油、天然气储层可开采特性的重要参数之一．利用固一液间的动电效应可测量地层渗透率.基于动电效应的岩芯渗透率实验测量2024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE18我国目前还没有利用动电效应测量渗透率的相关实验设备，人们对于利用岩石动电效应进行勘探也尚存疑义．当前实验室测量渗透率主要采用气测方法，该方法也存在一定的局限性，如高雷诺数情况下的湍流效应等。鉴于渗透率对油气勘探的重要性，寻找新的渗透率实验测量方法，作为气测方法的补充是有意义的．

流动电势：信号源输出低频信号，经功率放大器放大之后供给激振器，促使与其紧密接触的振动膜作周期振动，进而在岩芯两端形成压强差．

电渗实验：信号源给交流电流源低频激励，使其产生一个与信号源同频的电流，电流通过导通电极流过岩芯，在岩芯两端形成电位差．

2024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE19储油岩石渗透率的大小渗透率是储油（气）岩物性的重要参数，不论对油气运移聚集，还是油（气）田开发都是基础数据。但其数值在不同的油（气）层中相差很大，由几个毫达西到几千个毫达西。我国和世界一些油田的渗透率（据徐献中）2024/11/3现代物化非平衡态热力学20动电效应在美国井下采矿中的应用1.6.3）线性动电耦合应用3.井下采矿，要防止排弃沉淀缓慢的矿泥对环境的污染。美国矿山局用动电固化解决这一问题。利用动电力学效应加速尾矿的沉淀,使浆状体中的固体颗粒变成坚固、致密的充填体。动电力学原理：选厂尾矿里含二氧化硅颗粒带负电荷，电荷使粒子间互相排斥悬浮在水中，延缓沉降并妨碍固结。带负电荷的固体颗粒周围的水有大量的正离子存在,这些正离子使水显正电性。埋在泥浆里的两个电极通以直流电,建立电场,将使带负电荷的尾砂向阳极迁移。而带有正电荷的水流向阴极。虽然泥浆里的水大部分不带电荷,但是由于受到流动着的水的粘性牵动,仍然被推向阴极。动电效应的结果是加速固态和液态的分离。假如电极附近聚集的水能被排泄掉,最终将形成浓缩的固结体。通过这种方法，矿泥密实到足以允许用装岩机和矿车运搬。动电效应是清理井底水仓的一个有效和实际的方法。2024/11/3现代物化非平衡态热力学PAGE21关于动电效应的新发明：2002年英国《新科学家》周刊介绍，一种能够减少阻力的新发明问世，轮船、飞机和汽车在速度和节能方面将大大推进一步。这种覆盖在交通工具