И. И. Мечникова Физическийфакульте т 6 7 я отчет

Вид материала

Содержание

Дoслідження процесу горіння крапель парафінів
Иccледование высокотемпературного тепломассообмена углеродных частиц в газообразной среде
Научный руководитель: доктор физ.-мат.н.. Калінчак В.В.
Секция теоретической физики
Научный руководитель – доктор физ.-мат. наук В. М. Адамян
Диаметр кривой сосуществования жидкость-пар
Діелектрична проникність і діелектрична релаксація у воді
Гравітаційна взаємодія

Подобный материал:

1 2 3 4

ДOСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ГОРІННЯ КРАПЕЛЬ ПАРАФІНІВ

Гошкович Т.М., Саналатій В.В.

Наукові керівники − канд.фіз.мат.н. Орловська С.Г.,

аспірант Шкоропадо М.С.

Актуальність роботи обумовлена тим, що останнім часом велика увага приділяється використанню насичених вуглеводнів в якості паливних елементів як для двигунів внутрішнього згоряння, так і для ракетної промисловості. Особливо цікавим є вивчення горіння крапель парафіну[1].
У роботі експериментально вивчалося горіння в повітрі крапель парафінового палива – докозана (С₂₂Н₄₆) при різних початкових діаметрах та нормальному тиску.

Для вивчення кінетики горіння крапель докозану було створено експериментальний стенд [2], за допомогою якого можна спостерігати за процесом зміни діаметру краплі з часом. Для цього використовується Web-камера, яка підключена до комп’ютера і встановлена на мікроскопі. Отримані відео файли розкодовувались та оброблялися на комп’ютері за допомогою пакета MatLab. В результаті були отримані значення зміни діаметру краплі з часом. Залежність квадрату діаметру крапель докозана від часу, розділених на початковий діаметр, показана на рисунку 1.

Рис. 1.Залежність квадрату діаметру краплі від часу,d₀=1,52 мм.

По результатам проведених досліджень визначалась стала швидкості горіння (К_Г), як тангенс кута нахилу залежностей d²=f(t). Виявилось, що в інтервалі діаметрів 0,92-1,5 мм стала К_Г змінилася від 0,22 до 0,5622мм²/с.

Таким чином, встановлено, що зі збільшенням початкового діаметру краплі збільшується стала швидкості горіння. Збільшення діаметру в 1,5 рази призводить до збільшення сталої швидкості горіння в 2,6 рази.

1. L.M.C. Santos, L.A. R. Almeida, A. M. Fraga, C. A. G. Veras Experimental investigation of a paraffin based hybrid rocket.// Thermal Engineering, Vol.5 - №01- July 2006. – p. 8-12

2. С.Г. Орловская, В.В. Калинчак, М.С Шкоропадо, Ф.Ф. Каримова, Е.Ю. Актан. Определение характеристик горения капель доказана.// XXIV научная конференция стран СНГ «Дисперсные системы».20-24 сентября. Одесса, Украина, 2010.−С. 222 -223.

ИCCЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕПЛОМАССООБМЕНА УГЛЕРОДНЫХ ЧАСТИЦ В ГАЗООБРАЗНОЙ СРЕДЕ

Турчак А.В., Денисова Е.В.

Научный руководитель – канд.физ.-мат.н. Орловская С.Г.

В настоящей работе приведены результаты экспериментального и теоретического исследования влияния распространения тепла вглубь углеродного массива на характеристики воспламенения, горения и потухания угольных частиц.

Экспериментальные исследования высокотемпературного тепломассо-обмена и химического превращения углеродной частицы в воздухе проводились в нагретой до высокой температуры печи. Температуры поверхности, центра частицы и воздуха в печи контролировались хромель-алюмелевыми термопарами[1].

В результате проведенных опытов установлено, что в процессе нагрева и охлаждения частицы температуры поверхности и центра неодинаковы. При остывании разность этих температур больше, чем при переходе к высокотемпературному окислению.

Показано, что начало самоускорения химических реакций на поверхности углеродной частицы характеризуется минимум ∂T/∂t, момент перехода к высокотемпературному окислению – максимумом.

Расчётным путём установлено, что неучёт распространения тепла вглубь углеродного массива приводит к завышенным значениям для характеристик высокотемпературного тепломассообмена в интервале температур газа Т_g=1200 ÷1400К: для периода индукции - на 50%, для времени горения – 7% ÷ 17%, для температуры горения - на 100К, для диаметра, характеризующего потухание, - на 5мкм. Доказано, что при определении характеристик высокотемпературного тепломассообмена частиц углерода с d > 200 мкм необходимо учитывать распределение температуры по радиусу частицы.

1. С.Г. Орловская, Л.И. Рябчук, Е.В. Мирошниченко, В.Д. Кысса. Влияние температурного поля по углеродной частице на характеристики ее тепломассообмена с газом / Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 томах (25—29 октября 2010 г., Москва). Т. 3. Свободная конвекция. Тепломассообмен при химических превращениях. — М.: Издательский дом МЭИ, 2010. — 338 с., – С. 280-282.

Роль теплообмена излучением и стефановского течения в процессах воспламенения и зажигания чаcтиц летучих металлов

Ефимов В. С., Колойденко Ю. В.

Научный руководитель: доктор физ.-мат.н.. Калінчак В.В.

Анализ экспериментальных данных для крупных и мелких частиц магния показал, что самоускорение химической реакции окисления, приводящее к самовоспламенению или зажиганию, начинается для крупных частиц (0.5 ÷ 15 мм) на твердой поверхности, а для мелких (10 ÷ 60 мкм) – на жидкой поверхности металла. При теоретическом обосновании этих результатов обычно не учитывается изменение кинетики химической реакции окисления и взаимосвязанного с этим высокотемпературного тепломассообмена, стефановского течения, а также теплообмена излучением, при переходе в результате плавления от твердой к жидкой частице.

В работе проведены детальные исследования механизмов гетерогенного воспламенения и зажигания мелких и крупных частиц летучих металлов, на поверхности которых образуется пористый оксид, не представляющий диффузионного сопротивления потоку окислителя (P_b < 1). Теоретические исследования и расчеты проведены на примере крупных и мелких частиц Mg с учетом теплообмена излучением, стефановского течения, плавления и испарения . В результате исследования установлено: 1) для крупных частиц существенная роль при самовоспламенении и зажигании принадлежит теплообмену излучению и массопереносу окислителя к поверхности частицы; 2) в процессе воспламенения мелких частиц существенную роль играет теплопотери теплопроводностью (критерий Nu = 2 ) и на испарение металла.

Проведено сравнение с экспериментальными данными Касселя и Либмана для мелких частиц магния и для крупных частиц с экспериментами Деревяги, Озерова, Калинчака и Орловской. В результате обработки экспериментальных зависимостей температуры самовоспламенения от размера частицы найдены кинетические константы в законе окисления частицы магния. Энергия активация для твердых и жидких частиц практически не изменяется. Переход от твердой частицы к жидкой приводит к увеличению предэкспоненциального множителя на порядок. Учет стефановского течения для мелких частиц указанного диапазона диаметров позволил уточнить предэкспоненциальный множитель для окисления жидких частиц, оказавшийся больше ориентировочно на 20 %.

Проводились наблюдения за изменением структуры поверхности крупных частиц Mg в процессах их плавления и окисления, которые поддерживались дополнительным нагревом накаленной спирали в течении некоторого времени (d = 6мм , t = 3мин ). В результате наблюдений установлено : увеличение в окисной пленке на образцах сквозных пор и трещин с ростом их числа во времени. Что приводило к дополнительному повышению числа активных центров и зажиганию частицы при выводе ее из печки в комнатною температуру.

Экспериментально полученные критические значения начальной температуры частицы крупных частиц магния удовлетворительно описываются теоретически полученной зависимостью диаметра зажигания частицы от критического значения начальной температуры.

СЕКЦИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

(кафедра теоретической физики)

ВЛИЯНИЕ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ НА ПРОВОДИМОСТЬ НАНОПРОВОДОВ

В. Мороз

Научный руководитель – доктор физ.-мат. наук В. М. Адамян

В настоящей работе на основе простой модели исследуется влияние единичных точечных дефектов на проводимость одномерных проводников типа металлических углеродных нанотрубок. В качестве модели идеального одномерного проводника рассматриваются регулярные параллельные одноатомные цепочки из одинаковых одновалентных атомов. Потенциалы взаимодействия валентных электронов с ионами цепочек заменяются псевдопотенциалами Ферми – так называемыми потенциалами нулевого радиуса, действия которых сводится к дополнительным граничным условиям на электронную волновую функцию в точке расположения атомов.

Сопротивление идеального проводника определяется выражением

где

- число зон проводимости, которые пересекает уровень Ферми. Единичный дефект в виде примесного атома создаёт для носителей барьер, сопротивление которого определяется по формуле Ландауэра:

где

– коэффициенты прохождения и отражения электрона с квазиимпульсом Ферми

.

В работе в рамках модели, в которой взаимодействие электрона с примесным атомом описывается с помощью изменённого потенциала нулевого радиуса, определено дополнительное сопротивление рассматриваемого одномерного проводника, обусловленное рассеянием на примесном атоме.

ДИАМЕТР КРИВОЙ СОСУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИДКОСТЬ-ПАР

В ОКРЕСТНОСТИ КРИТИЧЕСКОЙ ТОЧКИ

Гармаш Д.П.

Научный руководитель – кандидат наук Сушко М.Я.

В последние годы интенсивно изучается асимметрия кривой сосуществования жидкость-пар. В частности, обнаружено отклонение температурной зависимости диаметра кривой сосуществования в плоскости плотность-температура от закона прямолинейного диаметра, обусловленное наличием дополнительных сингулярных по температуре вкладов в диаметр [1]:

(1)

Восстановление численных значений коэффициентов

имеет как общетеоретическое, так и чисто практическое значение, в частности, для определения положения критической точки. Однако непосредственная интерполяция экспериментальных данных с помощью (1) может приводить к значениям коэффициентов, отличающимся на несколько порядков [2,3]. Это обусловлено недостаточной точностью измерений вблизи критической точки.

В данной работе для количественного восстановления коэффициентов в (1) используется методика [4], где из общих определений и термодинамических соотношений показано, что диаметр кривой сосуществования в плоскости объем-температура имеет структуру

(2)

а также восстановлено численное значение коэффициента

. Знание этого коэффициента существенно упрощает поиск оставшихся коэффициентов в (2) путём интерполяции экспериментальных данных в указанной плоскости. Затем с помощью соотношений

(3)

восстанавливаются первые два коэффициента для диаметра (1)

Результаты анализа для ряда веществ приведены в таблице. Они указывают на определенную универсальность отношения

Вещество
Азот	1.565	-39.6	36.8	-1.08	-8.26
Вода	2.035	-39.7	37.6	-1.06	-8.27
CO₂	1.640	-39.0	34.4	-1.13	-8.09
Фреон	1.943	-39.9	42.2	-0.95	-8.31

1. M.E. Fisher, G. Orkoulas, Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 696.

2. Y.C. Kim, M.E. Fisher, Chem. Phys. Lett. 414 (2005) 185.

3. J. Wang, M.A. Anisimov, Phys. Rev. E 75 (2007) 051107.

4. M.Ya.Sushko, O.M.Babiy, J. Mol. Liq. 158 (2011) 68.

Разложение воды под влиянием ФЕРМЕНТА

Дяк А.Д.

Научный руководитель – доктор физ.-мат. наук Маломуж Н.П

В настоящее время одной из важнейших проблем человечества и, в частности, в Украине является проблема роста цен на бензин, а также загрязнение окружающей среды. В связи с этим рассматривается большое количество альтернативных видов энергии. Одним из самых экологически чистых, а значит и привлекательных методов является разложение воды на составляющие – водород и кислород. Тематика моего доклада связана именно с этой проблемой и представляет собой разработку одного из эффективных способов разложения воды на водород и кислород, с целью получения экологически чистого топлива. Реакция распада воды на водород и кислород происходит и при нормальных условиях, но концентрация водорода и кислорода при этом очень не значительная. Для повышения выхода водорода и кислорода планируется использование подходящих ферментов, введение которых способствует уменьшению энергии диссоции молекул воды.

Изложим кратко технику расчета газовыделения в жидкой воде. Кинетику реакции

можно описать с помощью уравнения, описывающего «химического» равновесие в системе

Здесь – концентрации веществ, входящих в реакцию, Р – давление газообразных компонентов в системе,

константа химического равновесия, функции, зависящие от температуры.

Химические реакции в живых организмах осуществляются при помощи катализаторов – ферментов. Все ферменты по химической природе являются простыми или сложными белками с большой молекулярной массой. Нас будет интересовать влияние аллостерического центра на водородные связи в молекулах воды.

Аллостерический центр представляет собой участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому определенного низкомолекулярного (а иногда - и высокомолекулярного) вещества изменяется третичная структура белковой молекулы.

Другими словами можно сказать, что аллостерический центр представляет собой сильный положительный заряд (Рис.2), который при приближении к молекуле воды будет уменьшать энергию связи кислорода с водородом.

Окончательная формула для расчета концентрации газообразного водорода будет иметь вид:

где концентрация водорода, Р- давление, – тепловые волны де-Бройля, энергия связи воды, энергия взаимодействия воды с ферментов.

Діелектрична проникність і діелектрична релаксація у воді

К. Жулавський

Науковий керівник – доктор фіз.-мат. наук М.П.Маломуж

Розрахунок діелектричної проникненості води виконується за загальною формулою:

, (1)

де

- вектор поляризації, який розглядається як функція напруженості зовнішнього поля

. Приймається, що система має форму кулі, внесеної в однорідне зовнішнє поле. Застосовуючи методи статистичної фізики, показано, що вектор поляризації можна представити у вигляді:

, (2)

де

є безрозмірні густину тензор поляризуємості молекул води і густини системи. Величина

є температура впорядкування дипольних моментів води.

Оскільки

навіть при максимальному пакуванні частинок системи, то в області застосування

формули (1) внесок, обумовлений кореляціями дипольних моментів, не перевищує 10%.

Як наслідок, формула для розрахунку діелектричної проникненості водного пару, а також рідкої води, набуває вигляд:

. (3)

Зазначимо, що у розрідженому водному парі при температурах

молекули води об’єднуються у пари, або, як кажуть, димеризуються. Внаслідок цього слід чекати помітних відхилень від (3).

Виконується порівняння температурної залежності діелектричної проникненості, розрахованої згідно (3), з експериментальними даними на лінії співіснування рідина-пара, а також з результатами розрахунків за теоріями Онзагера і Кірквуда. Опис діелектричної релаксації у воді здійснюється на основі рівняння, побудованого на основі рівняння Фокера-Планка.

Г. Фрелих Теория диэлектриков. М.: ИЛ, 1960.
Браун В., Диэлектрики. M., 1961.

ГРАВІТАЦІЙНА ВЗАЄМОДІЯ

У БАГАТОВИМІРНИХ МОДЕЛЯХ З БРАНАМИ

Кудінова О.В.

Науковий керівник – доктор фіз.-мат. наук Жук О.І.

Багатовимірні моделі світу набули надзвичайної популярності останнім часом. Серед них вирізняються моделі світу на брані, оскільки вони є найкращою альтернативою багатовимірним моделям Калуци-Клейна, проте потребують свого підтвердження чи, навпаки, спростування.

Ми розглядаємо нерелятивістську границю моделі Рандалл-Сундрума з однією браною і досліджуємо точний та наближений вирази для потенціалу гравітаційного поля дельтаподібного (точкового) матеріального джерела. Точний виражається через спеціальні функції Бесселя та Неймана, а наближений має вигляд комбінації стандартного ньютонівського потенціалу та кубічної поправки до нього. Вони використовуються для аналізу таких геометричних комбінацій взаємодіючих об’єктів, як “точка-точка”, “сфера-точка”, “сферичний шар-точка”, “сферичний шар-сферичний шар”, “куля-куля”.

Зокрема ми отримуємо точні та наближені формули для потенціальної енергії та абсолютного значення сили гравітаційної взаємодії двох сферичних шарів та куль. В останньому випадку вони мають наступний вигляд:

Порівнюючи точні та наближені результати, можна визначити межі застосовності останніх по відношенню до параметру моделі

.

Порівнюючи наші передбачення з даними нещодавніх лабораторних експериментів з перевірки ньютонівського закону обернених квадратів, ми отримуємо експериментальні обмеження на значення параметру моделі .

Blog

И. И. Мечникова Физическийфакульте т 6 7 я отчет

Содержание