Диффузия и теплопередача в химической кинетике Франк-Каменецкий Д.А.

УДК 541.124/128 Рецензенты: О.И. Лейлулский, С.С. Новиков 1805000000.366 Ф 161-8 74 Н 042(02)-87 © Издательство "Наука' 1987 г. Фр ан к-К ам е н е ц к и й Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетнке. — Мз Наука,! 987. — 502 с. Книга посвящена макроскопической кинетике химических реакций— законам протекания их в реальных условиях, в природе и в технике в сочетании с физическими процессами переноса вещества и тепла. В доступной для широкого круга читателей форме наложены основы термодинамнческой теории процессов переноса и гидродинамической теории диффузии в многокомпонентных смесях. Рассматриваемые в книге вопросы имеют фундаментальное значение для теории процессов и аппаратов химического машиностроения, физики и химии горения и взрыва, физико-химической гш1родинамикн, теории периодических химических реакций и химической кибернетики.

Табл. 14. Ил. 201. Бнблиогр. 321 назв. ГЛАВНАЯ КНИГА Д.А.ФРАНК-КАМЕНЕЦКОГО И ЕЕ АВТОР Настоящая книга — третье изцание замечательной монографии Д,А. Франк-Каменецкого "Диффузия и теплопередача в химической кинетике". Изданная в СССР в 1947 г. и вторым изданиемв 1967 г., книга была переведена в ФРГ в 1959 г. и в США в 1969 г. Монография сыграла огромную роль в развитии послевоенной науки и техники, в воспитании не одного поколения химиков, технологов и физикохимиков. До настоящего времени именно эта монография остается наиболее известной и чаще всего цитируемой в работах, относящихся к основам химического машиностроения и к теории горения. Книга стала библиографической редкостью и в связи с этим, естественно, возник вопрос о ее переиздании.

К величайшему сожалению, третье издание посмертное. Давид Альбертович Франк-Каменецкий безвременно скончался 2 июня 1970 г., не дожив до шестидесяти лет. Намечая новое издание без участия автора, представляется необходимым подробно сказать и о книге и о ее авторе. Нужно объяснить причину исключительного долголетия и актуальности книги. Отличительная ее особенность заключается в обилии собственных результатов автора — одного из тех, кто заложил основы новой области науки. В Предисловии к первому изданию академик Н.Н. Семенов пишет: "При этом автору удалось разработать новые плодотворные методы, выделить важные предельные области, ввести ряд новых физических понятий и получить ценные физические результаты.

Можно сказать, что этот труд знаменует собой начало превращения макроскопической кинетики в самостоятельный раздел науки. Автору удалось показать, что рассматриваемые вопросы имеют не только частное и прикладное, но и общее научное значение, представляют общий теоретический интерес". Развитие науки за последние 35 — 40 лет полностью подтвердило эту оценку Н.Н.

Семенова. Макроскопическая кинетика под новыми названиями "синергетика", "теория диссипативных структур". "теория катастроф" бурно развивается. При этом, естественно, возникают новые задачи и получаются новые результаты. Однако для глубокого понимания новых отраслей науки с их историческими корнями необходимо 1 обратиться к основам, к пионерским работам в области макроскопической кинетики — и здесь книга Франк-Каменецкого является лучшим пособием. В настоящее время все меньше остается людей, знавших Д.А, ФранкКаменецкого лично. Не все читатели книги представляют себе творческий путь и облик автора, не все знают о широте научных интересов Давида Альбертовича, и в частности, о его результатах в других областях науки — в физике плазмы, в астрофизике и космологии. В предлагаемом очерке сделана попытка восполнить этот пробел. Думается, что такой рассказ поможет лучше оценить и предлагаемую монографию "Диффузия и теплопередача в химической кинетике".

Давид Альбертович начал свою научную деятельность при не совсем обычных обстоятельствах. Детство и юность он провел в Сибири, там же получил диплом инженера-металлурга (окончил Томский технологический институт) и стал работать на горно-обогатительном заводе. В начале 1935 г. Давид Альбертович написал академику Н.Н. Семенову письмо, в котором обсуждались проблемы химической термодинамики. Талант автора был настолько очевиден, что его пригласили в Институт химической физики. Сознательный поиск и привлечение способных молодых людей, особенно с периферии, широко и с успехом применя.

лись тогда в Ленинградском физико-техническом институте и в тех институтах, в частности в Институте химической физики, которые от него отпочковались. Давид Альбертович в составе большого коллектива принял участие в работе по проблеме окисления и фиксации атмосферного азота при горении и взрывах. Упоминания об этой проблеме, например у Кавен. пиша, появились сразу после открытия азота и вслед за тем, как был установлен состав воздуха. К исследованию этого процесса обраща.

лись такие крупные химики, как Ф. Габер, В. Нернст (Германия), Р. Вон (Англия). В связи с развитием теории цепных реакций вставал вопрос о возможности прямого использования энергии горения для превращения азота в окись азота. Исследования, проведенные при участии Давида Альбертовича, показали, что процесс связан с механиз. мом цепной реакции при участии атомов Х и О, однако при этом выход окислов азота ограничен условиями термодинамического равновесия. Вполне естественно наметились направления последующей работы Давида Альбертовича: с одной стороны — теория горения и взрыва, с другой — общие основы химической технологии.

К этим вопросам Давид Альбертович был близок и по своему инженерному образованию и опыту. В фундаментальной работе 1939 г. (Журн. физ. химии. 1939. Т. 13. С. 738.) Давид Альбертович ставит задачу о тепловом взрыве с учетом пространственного распределения температуры в среде, в которой протекает химическая реакция. Решение этой задачи завершило почти веко.

вое исследование. Появилась возможность точно предвычислить условия возникновения взрыва. Многочисленные эксперименты полностью П подтвердили теорию Д.А. Франк-Каменецкого. Благодаря этой теории были получены важные результаты в химической кинетике. В упомянутой работе таилось, однако, более глубокое содержание, выходящее за пределы вопроса о взрыве. Только спустя много лет была понята плодотворность постановки задачи о критических условиях как о границе существования решения. На примере теплового взрыва Давид Альбертович развил теорию подобия процессов выделения и отвода энергии.

Он предложил асимптотическое выражение й, ехр ~ь (Т вЂ” Т, ) ], заменяющее экспоненциальную зависимость Й,ехр ( — А/Ят), при котором решение, относящееся к некоторой температуре, получается преобразованием подобия из решения, относящегося к другой температуре. По современной терминологии Давид Альбертович использовал групповые свойства уравнений и сознательно выбрал аппроксимацию, необходимую для возникновения группы, алдитивной по температуре и мультипликативной по координатам.

Эти общие физические и математические идеи были широко использованы в работах по теории горения, выполненных как при непосредственном участии Д.А. Франк-Каменецкого, так и в порядке продолжения его исследований. Исследования Давида Альбертовича, относящиеся к основам химической технологии, подытожены в его замечательной монографии. Теплопередача, диффузия, гидродинамика представляют собой разделы классической физики.

Монография замечательно сочетает аналитические решения, теорию подобия и полуэмпирический подход к явлениям и процессам различной степени сложности. Широкая научная программа физико-математического подхода к технологии, осуществляемая в настоящее время, во многом использует глубокие идеи и методы, изложенные в этой работе. С 1948 по 1956 г. Д.А. Франк-Каменецкий работает под общим руководством академика И.В. Курчатова по атомной проблеме. Он внес большой вклад в создание новой техники. Но даже в зти годы страшно напряженной практической работы он продолжает думать о фундаментальных 'научных проблемах. Его интересы перемещаются в область астрофизики. В этом он предвосхитил путь, по которому позже пошли очень многие теоретики, в том числе и автор этих строк. Проблемы спокойной эволюции звезд мастерски изложены в монографии "Физические процессы внутри звезд". Д.А.

Франк-Каменецкий также решил задачу о том, как при взрыве звезды ударная волна усиливается во внешних слоях. Это явление существенно связано с законами изменения блеска сверхновых звезд, а также, может быть, с процессом первичного ускорения космических лучей. Одним из первых Давид Альбертович понял, как об этом свидетельствуют работы об "эпиплазме", роль, которую играет в астрофизике и, в частности, в космологии процесс рождения пар частица — античастица в экстремальных условиях. В 1956 г. Д.А.

Франк-Каменецкий по приглашению И.В. Курчатова переходит в Институт атомной энергии, где возглавляет новое направле- рд ние — исследование взаимодействия волн с плазмой. Здесь нм впервые была четко сформулирована задача о нагреве плазмы за счет диссипацин волн, возбужцаемых в ней внешним источником колебаний. Давид Альбертович теоретически предсказал важное явление магнитно-звукового резонанса, которое затем было экспериментально обнаружено при его непосредственном участии. В дальнейшем нм и его учениками это явление бьшо подробно исследовано как в теоретическом, так и в экспериментальном плане.

Были изучены дисперсионные свойства обширного класса колебаний: прямых и косых магнитно-звуковых волн. Экспериментально было показано возникновение резонансной раскачки электромагнитных полей в плазме при магнитно-звуковом резонансе ("эффект пространственного усиления магнитного поля"). Наконец, была обнаружена аномальная диссипация магнитно-звуковых колебаний и, как следствие этого, продемонстрирована экспериментально возможность нагрева плазмы при магнитно-звуковом резонансе до высоких температур. В частности, с помощью этого метода плотную водородную и гелиевую плазму удалось нагреть до температур 5(!Оь — 10') К.