Явления, происходящие на границах раздела фаз в гетерогенных системах, называют поверхностными.

Наибольшее значение электродинамической силы в ньютонах, действующей на элементы средней фазы, в трехфазной системе шин при трехфазном к.з. определяется по формуле:

_

F_max = √3^.10^–7 i_у3² l / а, (8.1)

где i_у3 - ударный ток трехфазного к.з., А;

l - длина пролета, м.

а - расстояние между осями шин, м;

Проверка шин на механическую прочность заключается в расчете максимального механического напряжения в материале шины σ_max и в сравнении этого напряжения с допустимым значением [σ]. Шина обладает электродинамической стойкостью, если выполняется условие:

σ_max < [σ] (8.2)

Величина максимального механического напряжения в шине определяется по выражению

σ_max = F_max l /10W (8.3)

где W = h b²/6 - момент сопротивления шины, м³.

Физико-механические характеристики шин из различного материала

приведены в таблице 8.1

Проверка опорных изоляторов на механическую прочность заключается в проверке условия:

F_max < 0,6F_разр (8.4)

где F_разр - разрушающая механическая нагрузка на опорный изолятор, приводимая в технических характеристиках изолятора.

Опорные изоляторы одного номинального напряжения делятся на группы по разрушающей механической нагрузке. Значения этой нагрузки для опорных изоляторов приведены в табл. 8.2.

При выполнении условий (8.2) и (8.4) шинная конструкция отвечает требованиям электродинамической стойкости. При невыполнении условия (8.2) следует уменьшить длину пролета l. При невыполнении условия (8.4) следует выбрать более прочный опорный изолятор или уменьшить длину пролета l.

Таблица 8.1

Таблица 8.2

Для проверки шинной конструкции на механический резонанс вычисляется частота собственных колебаний этой конструкции, Гц:

_____

f_c = (r² / 2π l²)√E J / m, (8.5)

где r = 4,73 для многопролетных шин (см. рисунок 8.2);

Е - модуль упругости материала шины (см. таблицу 8.1);

J = hb³/12 - момент инерции шин, м⁴;

m - масса шины на единицу длины, кг/м.

Частота вынуждающих механических сил в шинной конструкции составляет 100 Гц. Для отстройки от механического резонанса собственная частота f_c должна значительно отличаться от частоты вынуждающих сил.

Шинная конструкция считается отстроенной от механического резонанса, если выполняется условие

30 > f_c > 200 (8.6)

При невыполнении условия (8.6) изменяется длина пролета шин l.

Явления, происходящие на границах раздела фаз в гетерогенных системах, называют поверхностными.

Они обусловлены особенностями состава и структуры поверхностей.

Образование поверхности раздела фаз требует совершения работы, следовательно, оно сопровождается увеличением свободной энергии системы. В поверхностном слое накапливается некоторый избыток энергии – поверхностная энергия Гиббса G_S, пропорциональная площади поверхности раздела фаз S: G_S = s×S.

Причиной возникновения поверхностной энергии на межфазных границах являются некомпенсированные атомные или молекулярные силы в поверхностном слое. Ненасыщенное силовое поле, возникающее на границе раздела фаз, связано с различным характером взаимодействия между молекулами в объеме и на поверхности фаз. Силы, действующие между молекулами в объеме одной фазы, называются когезионными. Силы, действующие между молекулами различных фаз, называются адгезионными.

В объеме жидкой фазы каждая молекула находится в уравновешенном состоянии, так как силы когезионных взаимодействий со стороны таких же окружающих молекул компенсируются и результирующая (равнодействующая) сила будет равна нулю.

На молекулы, находящиеся в поверхностном слое, действуют как когезионные, так и адгезионные силы. Равнодействующая сила когезионных и адгезионных взаимодействий всегда направлена в сторону более плотной фазы и равна разности когезионных и адгезионных сил.

Равнодействующие некомпенсированные силы, действующие в поверхностном слое, являются источником свободной поверхностной энергии (G_S) дисперсной гетерогенной системы.

Свободная поверхностная энергия - это термодинамическая функция, характеризующая энергию межмолекулярного взаимодействия молекул на поверхности раздела фаз с молекулами каждой из контактирующих фаз.

G_S = σ × S

где G_S – свободная поверхностная энергия, Дж

S – общая поверхность раздела гетерогенной системы, м²

σ – удельная поверхностная энергия или коэффициент поверхностного натяжения, Дж/м² или Н/м

Согласно второму закону термодинамики, свободная энергия системы для самопроизвольно протекающих процессов должна уменьшаться, т.е. DG_S < 0,

что возможно в двух случаях:

1. при уменьшении коэффициента поверхностного натяжения,

Ds < 0, следовательно DG_S = S×Ds < 0;

2. при уменьшении площади общей поверхности системы,

DS < 0, следовательно DG_S = s×DS < 0;

В первом случае для снижения величины s необходимо увеличить адгезионное взаимодействие, что возможно при переходе молекул третьего компонента на границу раздела фаз.

Во втором случае сокращение поверхности раздела фаз возможно за счёт объединения частиц дисперсной фазы (S₁ + S₂ > S_общ.) DS < 0 Þ DG_S < 0