Эмпирические топологии поверхностей скорости зародышеобразования
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?я. Частичный теоретический успех может быть получен только в случае, если будет известен потенциал взаимодействия молекул. Построение поверхностей скоростей нуклеации может быть выполнено для идентичных фазовых диаграмм состояния. Используя эти элементы можно создать поверхность для любой фазовой диаграммы состояния. Такие построения могли бы дать количественные значения скоростей нуклеации. При интерпретации экспериментальных результатов необходимо использовать фазовые диаграммы состояния исследуемой системы. Рассмотренный подход, приводит к новым результатам, не следующим из принятых теоретических представлений о нуклеации пара и является одним из перспективных направлений для пересмотра основ теории нуклеации.
В данной работе используются эмпирически определённая поверхность зародышеобразования, найденная Тимошиной и Насибулиным для системы глицерин-диоксид углерода. Ранее эмпирическими и полуэмпирическими методами было показано существование двух поверхностей образования зародышей различных фаз в окрестности тройной точки [28]. В нашем случае тройной точкой является точка, связанная с плавлением глицерина. В эксперименте наблюдается след от пересечения поверхностей нуклеации соответствующих жидкости и более упорядоченной фазы.
4. Результаты
В работе использованы результаты измерений, выполненных Тимошиной и Насибулиным. Данные по скорости зародышеобразования были получены с использованием экспериментальной установки, принципиальная схема которой и схема конденсирующего устройства представлены на рис. 2. и рис. 1, соответственно. Измерялась зависимость концентрации образующегося аэрозоля от температуры насыщения газа носителя исследуемым веществом при различных температурах термостата и давлениях газа-носителя. Экспериментальные данные пересчитывались в скорость нуклеации, активность паров и температуру нуклеации. Исследовалась система глицерин - диоксид углерода при 26 различных температурах в интервале от 280 К до 330 К. На рис.3 представлены экспериментальные зависимости скорости нуклеации от температуры и логарифма активностей паров глицерина при давлении газа-носителя 1 атмосфера.
Рисунок 3 - Поверхность скорости нуклеации для системы глицерин-диоксид углерода при давлении газа-носителя 1 атм
Пересекающиеся экспериментальные кривые на данном рисунке соответствуют фазовым переходам первого рода (первая производная терпит разрыв) в системе глицерин-диоксид углерода. Остановимся на этом поподробнее.
Изменение свободной энергию Гиббса можно представить в следующем виде:
,
где n-число молекул в кластере, - изменение химического потенциала системы, f- свободная энергия, связанная с поверхностным натяжением капли. Зависимость химического потенциала паровой и конденсированных фаз от температуры схематично представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Зависимости химического потенциала паровой и конденсированных фаз от температуры
Из рисунка 5 видно, что сначала образуются метастабильные состояния, связанные с образованием жидкокапельных зародышей. Из опытных данных следует, что капельки так же образуются в некоторой области ниже температуры замерзания жидкости (Рис.5). При понижении температуры нуклеации предположительно происходит переход к образованию более упорядоченной фазы. Скорость зародышеобразования представляется следующей функцией:
где - свободная энергия, - химические потенциалы конденсированной и паровой фазы соответственно. Т.к. терпит разрыв первой производной, то функция J тоже терпит скачок первой производной, что проявляется в виде складки на поверхности скоростей зародышеобразования. Если бы система не перепрыгивала из метастабильного конденсированного состояния в стабильное, мы бы видели просто линию разрыва первой производной, а не обнаруженный экспериментально разрыв поверхности скоростей зародышеобразования. Видимо, возникающие метастабильные состояния конденсата приводит к разрыву функции , как это показано толстой линией на рис. 5.
Рисунок 5 - Траектория эксперимента (жирная линия)
Более подробная интерпретация полученных данных выходит за рамки дипломного проекта и развивается в настоящее время совместно с теоретической лабораторией ИХКГ.
На рисунке 6 представлены зависимости активности паров глицерина log a от температуры нуклеации Т при постоянных значениях логарифма скорости нуклеации (log J=1, log J=3, log J=5) при давлении газа-носителя 1, 2 и 3 атмосферы. Из рисунка 6 видно, что кривые претерпевают два излома, которые с некоторым сдвигом соответствуют температуре плавления глицерина (=292,45 К) и критической температуре диоксида углерода(=304,2 К, =7,39 МПа). Температура плавления сдвигается под действием растворенного в конденсате диоксида углерода. В критическом зародыше, благодаря поверхностному натяжению в капле (Лапласовское давление) давление составляет несколько сотен бар. Повышенное давление в критическом зародыше являться причиной повышенной растворимости. С увеличением степени метастабильности топология складки меняет форму. Причины этих изменений являются предметом будущих исследований.
Рисунок 6 - Зависимость активности от температуры при трёх постоянных значениях логарифма скорости нуклеации для давлений 1, 2 и 3 атмосферы, соответственно
Рисунок 7 - Зависимость сдвига температур фазовых переходов от давления
<