Акустическая релаксация в смесях многоатомных газов с мелкодисперсными частицами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.15 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ГАЗАХ И МНОГОФАЗНЫХ СРЕДАХ.

§1.1 Релаксационные процессы в газах

1.2 Теория процесса релаксации колебательной энергии в гетерогенных средах

§1.2.1 Уравнение баланса колебательно-возбужденных молекул и условие поверхностной дезактивации

§1.2.2 Гетерогенная релаксация в статических условиях.

§1.2.3 Гетерогенная релаксация в условиях потока.

§1.2.4 Механизмы поверхностной дезактивации энергии колебательно-возбужденных молекул

§1.3 Экспериментальные методы определения коэффициентов аккомодации и диффузии колебательно-возбужденных молекул.

§1.4 Экспериментальные результаты

ГЛАВА 2. АКУСТИЧЕСКАЯ РЕЛАКСАЦИЯ ЭНЕРГИИ КОЛЕБАТЕЛЬНО-ВОЗБУЖДЕННЫХ МОЛЕКУЛ В ГЕТЕРОГЕННОЙ СРЕДЕ.

§2.1 Уравнение релаксации колебательной энергии в гетерогенной среде

§2.2 Распространение звука в аэрозолях

§2.2.1 Взаимодействие колебательно-возбужденных молекул с поверхностью аэрозоля при импульсном возбуждении

§2.2.2 Взаимодействие колебательно-возбужденных молекул с поверхностью аэрозоля при акустическом возбуждении.

§2.3 Постановка задачи, выбор метода и объектов исследования

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЛАКСАЦИИ ЭНЕРГИИ КОЛЕБАТЕЛЬНО-ВОЗБУЖДЕННЫХ МОЛЕКУЛ НА ПОВЕРХНОСТИ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ.

§3.1 Экспериментальная установка

§3.2 Методика измерения скорости распространения и коэффициента поглощения звука в аэрозоле

§3.3 Техника приготовления и анализа мелкодисперсных порошков

§3.4 Контрольные измерения и анализ погрешностей эксперимента

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ.

§4.1 Скорость распространения и коэффициент поглощения звука в гетерогенных средах

§4.2 Методика определения коэффициента аккомодации и коэффициента диффузии колебательно-возбужденных молекул на основе акустических данных

§4.2.1 Вычисление коэффициентов аккомодации и диффузии.

§4.3 Анализ экспериментальных данных

Изучение релаксационных процессов, связанных с перераспреде.т лением энергии между различными степенями свободы многоатомных молекул, является одной из актуальных проблем современной молекулярной физики. Зто обусловлено несколькими причинами. С одной стороны развиваются производства использующие молекулярные газы в качестве активного рабочего тела, например химический катализ и газодинамические молекулярные лазеры, что требует знания характеристик элементарных процессов при взаимодействии молекул. С другой стороны существующие теории процессов колебательно-поступательного, колебательно-колебательного и колебательно-вращательного обменов энергией также требуют знания количественных значений вероятностных характеристик этих процессов, которые можно получить только путём постановки соответствующих экспериментов.

При практических расчётах используются различные модели каналов релаксации. Обоснование модельных представлений и выявление эффективных каналов релаксации основывается на экспериментально найденных значениях вероятности дезактивации. Результаты детальных исследований процессов колебательной релаксации широко используются при разработке оптимальных режимов работы технических систем содержащих в качестве активного рабочего тела молекулярные газы.

В последнее время большой интерес, в связи с развитием газодинамических молекулярных лазеров и возможностью лазерного разделения изотопов, вызывают процессы взаимодействия колебательно-возбужденных молекул (КВМ) с поверхностью твёрдого тела. Теоретические модели, описывающие эти взаимодействия, являются полуэмпирическими и для большинства практических целей основные релаксационные и молекулярно-кинетические характеристики процесса обмена энерг-. гии КВМ в гетерогенных средах приходится определять экспериментальны]

I - 5 - < путём. Поэтому постановка экспериментов по изучению молекулярно-кинетических и релаксационных свойств гетерогенных систем является важным направлением современной молекулярной физики.

Для экспериментальных исследований взаимодействия КВМ с поверхностью твёрдого тела применяются различные методы. Струевой метод обладая высокой точностью определения характеристик релаксационного процесса не позволяет изучать быстропротекающие процессы. Импульсный метод позволяет исследовать быстрые процессы, но со значительно меньшей точностью. В этом плане представляет интерес предложенный в данной работе, акустический метод определения параметров релаксации энергии КВМ в гетерогенных средах. Этот метод, обладая высокой точностью, даёт так же возможность исследовать релаксационные процессы в широком временном интервале путём изменения частоты акустического сигнала.

Акустический метод является одним из наиболее широко применяющих-т. ся методов для изучения релаксационных процессов. Однако этим методом ещё не исследовались процессы, связанные с релаксацией энергии КВМ в гетерогенной среде. Поэтому научный и практический интерес представляет изучение возможности применения акустического метода для исследования колебательной релаксации в гетерогенных средах, представляющих собой мелкодисперсный аэрозоль на основе молекулярного газа.

Теоретические работы, посвященные процессу взаимодействия КВМ с поверхностью твёрдого тела, предсказывают ряд особенностей поведения скорости распространения и коэффициента поглощения звука при его прохождении через гетерогенную среду. Проверка этих особенностей возможна лишь на основе экспериментальных исследований» Однако в настоящее время подобные данные отсутствуют.

Таким образом изучение акустических свойств гетерогенных сред может внести существенный вклад в развитие фундаментальных и прикладных исследований сложных молекулярных систем. Кроме того, оригинальная экспериментальная установка может быть использована как прототип при создании автоматических систем контроля технологических процессов, протекающих с использованием аэрозоля на основе молекулярных газов.

Автор защищает:

1. Теоретическое обоснование возможности применения акустического метода для изучения релаксации КВМ в гетерогенных средах.

2. Результаты экспериментальных исследований распространения звуковых волн в гетерогенных средах, представляющих собой мелкодисперсный аэрозоль твёрдых частиц в молекулярном газе.

3. Данные расчёта коэффициента диффузии и вероятности дезактивации энергии КВМ на поверхности частиц алюминия и окиси алюминия для углекислого газа и шестифтористой серы.

4. Теоретический анализ полученных данных.

Основные результаты настоящей работы состоят в следующем:

1. Показано, что релаксационные процессы, связанные с обменом энергией колебательно-возбужденной молекулы с поверхностью твёрдого тела, можно изучать акустическими методами с высокой точностью и в широком временном интервале.

2. Разработана экспериментальная установка для измерения скорости распространения и коэффициента поглощения звука в гетерогенных средах, на частотах 100-500 кГц с разрешающей способностью по

-4 —^ относительному изменению скорости 10 -5*10 и по изменению коэффициента поглощения 5*10 см .

3. Предложена методика акустического исследования гетерогенных сред, позволяющая определить величину коэффициента диффузии КВМ и вероятности их дезактивации на поверхности твёрдого тела.

4. Впервые по данным акустических измерений, в рамках выбранной модели, рассчитаны вероятность дезактивации КВМ на поверхности твёрдого тела и коэффициент диффузии КВМ.

5. Впервые проведены измерения скорости распространения звука и коэффициента поглощения в аэрозолях на основе аргона, углекислого газа и шестифтористой серы с использованием мелкодисперсных порошков и окиси алюминия.

6. На основании экспериментальных данных показано, что основное влияние на скорость протекания релаксации энергии КВМ оказывает процесс их диффузии к поверхности частиц аэрозоля.

7. Обнаруженная зависимость вероятности дезактивации КВМ на поверхности твёрдого тела от рода материала и давления указывает на то, что дезактивация энергии происходит на слое газовых молекул, покрывающих поверхность частиц аэрозоля.

8. Полученные численные значения молекулярных и релаксационных параметров могут быть использованы при конструировании и оптимизации работы, устройств, использующих гетерогенную среду на основе молекулярного газа, в качестве рабочего тела.

- 92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Мандельштамм Л,И., Леонтович М.А. К теории поглощения звука в жидкостях.- ЖЭТФ, 1937, т. 7, с. 438.

2. Бауэр Г. Феноменологическая теория релаксационных явлений в газах.- в кн. "Физическая акустика", М.,"Мир", 1968, т. 2, ч. А. 7. Де Гроот С Р Мазур П. Неравновесная термодинамика.- М.,"Мир", 1964.

3. Башлачев Ю.А., Протопопов Ю.Е. Общее представление акустической релаксации в многоатомных газах на основе уравнения БирюковаГордиеца.- Изв. АН Тадж. ССР., 1980, №1 (75), с. 85-86.

4. Богуславский Ю.А. О поглощении и дисперсии звуковых волн в двухфазной среде.- Акустический ж., 1978, т. 24, №1, с, 46-52.

5. Ивандаев А.И. Распространение малых возмущений в двухфазных смесях пара с каплями.- Акустический ж., 1978, №1, т. 24, с. 72-78.

6. Исакович М.А. Общая акустика.- М.,"Наука", 1973, с. 56-62.

7. Варгин A.H, Г0ГОХИЯ B.B., Конюхов В.К., Луковников А,И. Исследование колебательной релаксации молекул углекислого газа фазовым методом,- Труды ФИАН им. П.Н. Лебедева, т. И З 1979, с. 5.

8. Лукьянов A.E. Ультразвук и вязкоупругие свойства жидких кристаллов в статическом магнитном поле,- кандидатская диссертация, М., 1979.

9. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения.- М.,"Издательство Стандартов", 1970.

10. Коузов П.А, Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельчённых материалов,- М.,"Химия", I97I.

11. Агекян Т.А. Основы теории ошибок для астрономов и физиков.М.,"Наука", 1972.

12. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей.- М.,"Издательство АН СССР", 1945.

13. Никитин Е.Е,, Осипов А.И, Колебательная релаксация в газах,в сб. "Кинетика и катализ", М., 1977, т. 4.

14. Ступоченко Е.В., Лосев А., Осипов А.И. Релаксационные процессы в ударных волнах.- М.,"Наука", 1956. 23, eJot/r. K/Kiefep;/. iP/c /пг/>;- fey-

15. Каминский M,M. Атомные и ионные столкновения на поверхности

16. Лосев А., Макаров В.Н. Колебательная дезактивация молекул углекислого газа в сверхзвуковом сопле,- Ин-т механики МГУ. Отчёт №1379, 1972.

17. Гиршфельдер Г., Кертис К., Берд Д. Молекулярная теория газов и жидкостей.- М.,"Иностранная литература", I96I.

18. Хазанович Т.Н. О граничных условиях в теории цепных реакций.Кинетика и катажз. 1964, т. 5, с. 28-33.

19. Франк-Каменецкий Д.Л. ДшМзузия и теплопередача в химической кинетике.- М.,"Наука", 1967.

20. Гершензон Ю.М., Розенштейн В.В.,Кинетика процессов первого порядка в ламинарном потоке при диффузионной гибели частиц на поверхности.- Теор, и Экспер. химия. 1974, т. 10, с. 679-733. 30. Pc>tt t f r 7Я/1/-, Utfey X/? /e<и

21. Васильев Г.К., Макаров Е.Ф., Панин В.Г., Тальрозе В.Л. Спектроскопическое исследование излучательной и безизлучательной релаксации колебательно-возбуждённых молекул 1970, т. 191, с. I077-I

23. Гершензон Ю.М,, Егоров В,И., Розеншгейн В.Б. Определение коэффициента аккомодации колебательной энергии молекул азота на поверхности молибденового стекла.- Хим. высоких энергий. 1973. /fatzi/mti?:,-. 7. </e. //3> гг. f/; 7-P/.

24. Гершензон Ю.М., Розеншгейн В.Б. Измерение скорости химической релаксации колебательной энергии молекул дейтерия в реакции P-hjPCTT.O-jpPjir.oJ,- Докл. АН СССР. 1975, т. 221, с. 6444-6f7. сеисе dZ-e ,6(P,A2Ci/ rfaz<pfe У. c/i/bif. /oA/i. 5 /9-/d>/ acfi2rer \Z, Гершензон Ю.М., Розеншгейн В.Б. Релаксация колебательной энергии смеси молекул с близкими частотами. 4.

25. Экспериментальное определение констант дезактивации колебательно-возбуждённых молекул СО2 и //2О.- Хим. высоких энергий. 1976, т. 10, №4. 4-

26. Гершензон Ю.М., Розенштейн Б.Б. Релаксация колебательной энергии смеси молекул с близкими частотами. Ч.1, Выражение для константы скорости релаксации.- Хим. высоких энергий. 1976, т. 10, Ш, с. 352-358. h

27. Гершензон Ю.М., Ковалевский А,, Розенштейн В.Б., Шуб Б.Р.

28. Гершензон Ю.М., Розенштейн В.Б., Уманский Я. Диффузия колебательно-возбуждённых молекул.- Докл. АН СССР. 1975, т. 223, с. 629.

29. Конюхов В.К., Файзулаев В.Н. Кинетика колебательной релаксации молекул в системе газ-аэрозоль и лазеры на двухфазных средах.Квантовая электроника. 1978, т. 5, М27, с. I492-I498.

30. Никитин Е.Е. Теория элементарных атомно-молекулярных процессов в газах.- М.,"Химия", 1970.

31. Федотов Н.Г., Саркисов О.М., Веденеев В.И. Определение вероятности гетерогенной и гомогенной дезактивации молекул дейтерия.в кн. "Материалы 3-го Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву." М.,"Наука", 1972.

32. Гершензон 10.M., Розенштейн В.В., Уманский Я. Гетерогенная релаксация колебательной энергии молекул.- Химия плазгш. М., "Атомиздат", 1977, вып. 4, с. 61-77.

33. Кнезер Г. Релаксационные процессы в газах.- в кн. "Физическая акустика", т. 2, ч. А, М. ,"itep", 1968.

34. Гершензон Ю.М., Розенштейн В.Б, Гетерогенная релаксация колебательной энергии молекул азота на поверхности кварца.- Химия высоких энергий. 1975, т. 9, с. 13-16. 58. \/e-er./4ac/7d У. б6t</ а 7 }£4f. /о/. -/j/t/zepf-e асГ/.- -гг,/, 2