Кинетика гомогенного распада метастабильных фазовых состояний тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение

ГЛАВА 1. Кинетика гомогенного распада пересыщенного газом раствора при произвольном режиме роста зарождающихся пузырьков

1. Работа образования пузырька и выбор переменных состояния пузырька

2. Поглощательно - испускательное и гидродинамическое пузырька с раствором

3. Двухмерное кинетическое уравнение вскипания раствора и иерархия времен развития двухмерного распределения околокритических пузырьков

4. Стационарный поток зародышей в закритическую область их размеров

5. Расчеты стационарной скорости гомогенного вскипания криогенных растворов

6. Рост закритических пузырьков при учете летучести растворителя

7. Эффект подвижки поверхности пузырька при его росте в газированном растворе 67 Таблицы к главе

ГЛАВА 2. Кинетика гомогенной конденсации в динамических условиях при произвольном режиме роста зародышей стабильной фазы

8. Идеальное пересыщение в динамических условиях и скорость роста закритических капель при произвольных числах Кнудсена

9. Система уравнений кинетики конденсации при произвольном режиме роста капель

10. Спектр размеров закритических капель

11. Конденсационный рост закритических капель в условиях роста идеального пересыщения

12. Конденсационный рост закритических капель в условиях стабилизации идеального пересыщения. Переход к мгновенному созданию пересыщения

13. Изменение длины пробега молекул пара и числа Кнудсена в процессе конденсации.

Рисунки к главе

ГЛАВА 3. Переконденсация в материально открытой системе при произвольных числах Кнудсена

14. Система уравнений кинетики переконденсации

15. Асимптотика по времени размера критического зародыша

16. Асимптотика по времени спектра размеров зародышей 174 Рисунки к главе

ГЛАВА 4. Вероятностно - статистический подход к учету истощения метастабильной фазы в кинетике гомогенной нуклеации при мгновенном создании метастабильности

17. Задача диффузии избыточного компонента в присутствие растущего зародыша стабильной фазы

18. Вероятностно-статистические характеристики процесса гомогенной нуклеации в присутствии растущего зародыша стабильной фазы. Приближение изотермичности.

19. Ограничения на область применимости вероятностно-статистического подхода к описанию стадии нуклеации в метастабильной системе

20. Оценки для полного числа зародышей и продолжительности стадии нуклеации. Сравнение с результатами в приближении однородности метастабильной фазы

Таблица и рисунки к главе

ГЛАВА 5. Вероятностно-статистические характеристики процесса гомогенной нуклеации в присутствии растущего зародыша метастабильной фазы. Учет эффектов выделения теплоты фазового перехода

21. Нестационарные поля концентрации пара и температуры в окрестности растущего зародыша

22. Баланс теплоты фазового перехода

23. Расчет температуры растущего зародыша

24. Вероятностно-статистические характеристики фазового перехода в присутствии тепловых эффектов 248 Таблицы и рисунки к главе 5 258 Заключение 265 Литература

Релаксация метастабильных дисперсных систем является распространенным физико-химическим явлением. Многие технологии современного материаловедения, повышения эффективности жидкостно-газовых топлив, а также экспериментальное исследование физико-химических систем, в той или иной степени сопровождаются процессами распада метастабильных фазовых состояний. Последовательное описание фазовых переходов первого рода, протекающих в таких системах, является актуальной задачей современной физики конденсированного состояния. Важными при этом являются как прикладные моменты, так и чисто теоретические.

Настоящая работа является частью исследования процессов в метастабильных дисперсных системах, проводимых на кафедре статистической физики Санкт-Петербургского государственного университета.

В диссертации развивается теория, описывающая кинетику фазовых переходов первого рода в пересыщенных парогазовых смесях и в пересыщенных газом жидких растворах. Рассматривается весь процесс фазового перехода от формирования квазистационарного потока зародышей в область закритических размеров до образования макроскопических скоплений новой стабильной фазы в результате переконденсации. Фазовый переход первого рода может протекать гомогенно - в отсутствие центров зародышеобразова-ния, и гетерогенно - когда такие центры присутствуют и снижают энергетический порог перехода. В данной работе рассматривается случай гомогенного зародышеобразования при этом обмен молекулами между мегастабильной средой и растущими зародышами стабильной фазы может быть свободномо-лекулярньш, диффузионным или промежуточным между ними. В диссертации описывается возникновение и рост пузырьков избыточно растворенного в жидкости газа и капель жидкости в пересыщенной парогазовой среде.

Диссертация состоит из введения, пяти глав (двадцати четырех параграфов) и заключения, содержит 275 страниц текста, в том числе 11 таблиц,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение еще раз перечислим полученные в диссертации результаты, сформулировав их в виде списка положений, выносимых на защиту.

1. Построена кинетика гомогенного распада пересыщенного газом жидкого раствора при произвольном режиме роста пузырьков:

- найдены удобные переменные описания околокритических пузырьков, исследованы поглощательно - испускательное и гидродинамическое взаимодействия пузырька с раствором;

-сформулировано двухмерное уравнение эволюции околокритических пузырьков в пространстве удобных переменных их описания, выявлена иерархия кинетических времен задачи и на ее основе найдено аналитическое выражение для стационарной скорости вскипания газированного жидкого раствора, проведены расчеты этой скорости на примере криогенных растворов;

- показано, что летучесть растворителя приводит к тому, что движущей силой роста заметно закритических пузырьков является уже не само пересыщение растворенного в растворе газа, а величина, превышающая его на отношение давления насыщенного пара растворителя к давлению раствора.

2. Построена кинетика гомогенной конденсации в динамических условиях при произвольном режиме поглощения пара каплями:

- сформулирована замкнутая система кинетических уравнений для нахождения спектра размеров капель, методом сжимающих итераций найден этот спектр;

- количественно описано сложное, многостадийное развитие процесса конденсации и найдены размеры капель на всех стадиях процесса конденсации, а также времена продолжительности всех этих стадий вплоть до возникновения переконденсации.

3. При произвольных числах Кнудсена в материально открытой системе построена теория переконденсации капель в парогазовых смесях:

266

- сформулирована замкнутая система уравнений кинетики переконденсации капель;

- в аналитическом виде найдены главный и поправочный члены временных асимптотик критического размера и спектра размеров капель в зависимости от интенсивности внешнего потока вещества и характера спадания начального спектра размеров капель;

- показано, что действие внешнего источника молекул и медленное спадание начальное спектра размеров капель тормозят выход системы на универсальные асимптотики переконденсации.

4. Развит вероятностно-статистический подход к учету истощения метаста-бильной фазы, обеспечивающий баланс количества вещества и тепла в системе. Без учета и с учетом выделения теплоты фазового перехода найдены:

- нестационарные поля концентрации метастабильного компонента, температуры, относительной убыли пересыщения и скорости роста в окрестности растущего зародыша с учетом движения его поверхности;

- вероятностно-статистические характеристики процесса нуклеации.

1. Куни Ф.М., Жувикина И.А. Теория гомогенного вскипания жидких растворов. 1. Кинетическое уравнение вскипания. // Коллоидн. журнал, 2002, т.64, №2, с.188-193.

2. Жувикина И.А., Куни Ф.М. Теория гомогенного вскипания жидких растворов. 2. Стационарная скорость вскипания // Коллоидн. журнал, 2002, т.64, №5, с.617-623.

3. Куни Ф.М., Жувикина И.А., Гринин А.П., Теория гомогенного вскипания жидких растворов. 3. Рост закритических пузырьков при учете летучести растворителя // Коллоидн. журнал, 2003, т.65, № 2, с.227- 231.

4. Гринин А.П., Куни Ф.М., Жувикина И.А. Вероятностно-статистические закономерности процесса гомогенного вскипания пересыщенных газом жидких растворов // Коллоидн. журнал, 2002, т.64, № 2, с. 769-774.

5. Гринин А.П., Жувикина И.А., Куни Ф.М. Вероятностно-статистический подход к учету истощения метастабильной фазы в кинетике гомогенной нуклеации в парогазовой среде при мгновенном создании пересыщения пара// Коллоидн. журнал, 2004, т.66, № 2, с. 317-325.

6. Grinin А.Р., Zhuvikina I.A., Kuni F.M., and Reiss. Role of the nearest-neighbor drops in the kinetics of homogeneous nucleation in a supersaturated vapor// Journ. Chem. Phys. 2004, v. 121, N 23, p. 12490.

7. Жувикина И.А., Куни Ф.М., Гринина E.A. Эффект подвижки поверхности пузырька при его росте в газированном растворе// Вестник СПбГУ. 2004, Сер. 4 (№ 3) с. 3-9

8. Жувикина И.А. Вероятностно-статистический подход к учету истощения метастабильной фазы в кинетике гомогенного вскипании пересыщенных газом жидких растворов// Вестник СПбГУ. 2004, Сер. 4 (№ 3), с.68-76.

9. Ю.Гринин А.П., Жувикина И.А., Гор Ю.Г. Нестационарное поле температуры парогазовой смеси в окрестности растущей капли. Баланс теплоты фазового перехода// Коллоидн. журнал. 2005, т.67, № 3, с. 295-302.

10. Жувикина И.А., Гор Г.Ю., Гринин А.П. Вероятностно-статистический подход к описанию гомогенной нуклеации в парогазовой среде. Эффекты теплоты фазового перехода// Коллоидн. журнал. 2005, т.67, № 5, с.782-789.

11. Жувикина (Смирнова) И.А. Поправочный член временной асимптотики критического размера на стадии переконденсации в материально открытой системе. // Вестник ЛГУ, сер.4., 1986, вып. 1, с. 92-95.

12. Мелихов A.A., Жувикина (Смирнова) И.А., Куни Ф.М. Кинетика нуклеации в условиях роста идеального пересыщения при произвольных числах Кнудсена// Вестник ЛГУ, сер.4., 1986, вып. 4, с. 13-19.

13. Grinin A.P., Zhuvikina I.A., Kuni F.M., Reiss H. Nearest-neighbor drop inhomogeneous nucleation in a supersaturated vapor// Nucleation andtiiatmospheric aerosols 2004: 16 Int'l Conf., ed. by M. Kasahara and M. Kulmala, p. 15-19.

14. Слезов В.В., Абызов А.С., Слезова Ж.В. Коллоидн. журнал, 2005 Slezov V.Y. // J. Coll. And Interfact Science. 2002. V.255. 274-292.

15. Курасов В.Б.//Вестник СПбГУ. Cep.4. 1999. вып.2 (№1). C.80-83.

16. Куни Ф.М., Огенко В.М., Ганюк JT.H., Гречко Л.Г.// Коллоидн. журнал. 1993, т.55, №2, с.22-27.

17. Дерягин Б.В., Прохоров A.B., Туницкий H.H. // ЖЭТФ, 1977, т. 73, С.831.

18. Дерягин Б.В.//ЖЭТФ, 1973, т.65, с.226.

19. Мелихов A.A., Куни Ф.М. // Коллоидн. журнал. 1990. т.52, №4,с.696.,

20. Kuperin Yu., Trofimov Yu., Omelijnchenko V. Instituto Física Nucleare: Preprint INFN 1559/9. June , 1989.

21. Русанов А.И., Куни Ф.М., Щекин А.К.// Коллоидн. журнал. 1987. т.49.2, с.309.

22. Куни Ф.М., Огенко В.М., Ганюк Л.Н., Гречко Л.Г.// Коллоидн. журнал. 1993, т.55, №2, с.28-33.

23. Лифщиц Е.М., Питаевский Л.П.// Физическая кинетика. М.: Наука, 1979, 527 с.

24. Лемб А. Гидродинамика. М.: Наука, 1976, 432 с.

25. Мелихов A.A., Трофимов Ю.В., Куни Ф.М. // Коллоидн. журнал. 1994, т.56, №2, с.201-204.

26. Куни Ф.М., Мелихов A.A.// Теорет и матем. Физика. 1989. т.81. №2. с.247.

27. Куни Ф.М., Мелихов A.A., Новожилова Т.Ю., Терентьев И.А.// Химич. физика. 1990, т.9. №10, с.1414-1426.

28. Куни Ф.М., Щекин А.К., Гринин А.П.// Коллоидн. журн. 2000, Т. 62, №2, с.191-198.

29. Фукс H.A. Испарение и рост капель в газообразной среде. М.: Изд-во АН СССР, 1958.

30. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М.: Госэнергоиздат, 1963.

31. Ruckenstein Е.// Intern. J. Heat and Mass Transfer. 1967. v.lO.No 10. p.1785.

32. Williams M.M., Loyaka S.K. Aerosol Science. Theory and practice with special applications to nuclear industry. New York: Pergamon Press, 1991.

33. Widdr M.E., Titulaer U.M.// J.Stat.Phys. 1990. v.55. No 5/6. p.l 109.

34. Hubner G.F., Titulaer U.M. // J.Stat.Phys. 1991. v.59. No 1/2. p.441.

35. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. С.243.

36. Полянин А.Д., Вязьмин A.B., Журов А.И. Справочник по точным решениям уравнений тепло- и массопереноса. М.: Факториал, 1998.

37. Pesthy A.J., Flagan R.C., and Sienfeld J.H.// J. Coll. And Interfact Science. 1981. V.82. No2, 465-479.

38. Байдаков В.Г.// Теплофизика высоких температур. 1999, т.37, №4, с. 595.

39. Baidakov V.G.// Journ. Chem. Phys. 1999, y.l 10, N8, p.3955.

40. Lager J.S.//Ann. Phys. 1969, v.54, p.258.

41. Бренер E.A., Марченко B.M., Мешков С.В.//ЖЭТФ. 1983, т.85, № 6(12), 2107.

42. Дерягин Б.В., Прохоров A.B.// Коллоидн. журнал, 1982, т.44, №5, с.847-862.

43. Байдаков В.Г./ Перегрев криогенных жидкостей. Екатеринбург, 1995.

44. Френекель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. М.: Наука, 1975.

45. Физические величины: Справочник/ Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. М.: Энергоатомиздат., 1991. Справочник химика. Т.1-3. / Под. ред. Никольского Б.П., Григорова О.Н., Позина М.Е., и др. 2-е изд. JI.-M.: ГНТИ химич. лит-ры, 1963.

46. Молекулярные постоянные неорганических соединений. Справочник/ Под ред. Краснова К.С. Л.: Химия, 1979.

47. Мелихов A.A., Куни Ф.М. Кинетика нуклеации при произвольных числах Кнудсена / Препринт ИТФ-83-81Р. Киев 1983, 20 с.

48. Kuni F.M. The kinetics of the condensation under the dynamical conditions/ Preprint ITP-84-178E. Kiev, 1984. 65p.

49. Трофимов Ю.В., Мелихов A.A., Куни Ф.М. //Коллоиды, журнал. 1994, т.56, №2, с.246-250.

50. Ю.В. Трофимов, A.A. Мелихов, Ф.М. Куни. // Коллоидн. журн. 1994, Т. 56, №2, с.241-245.

51. Мелихов A.A., Трофимов Ю.В., Куни Ф.М. // Коллоидн. журн. 1994, Т. 56, №2, с.205-209.

52. Трофимов Ю.В., Мелихов А. А., Куни Ф.М. // Коллоидн. журн. 1994, Т. 56, №2, с.235-240.

53. Куни Ф.М., Трофимов Ю.В., Мелихов А. А. // Коллоидн. Журн. 1994, Т. 56, №2, с.182-186.

54. Куни Ф.М., Мелихов A.A., Трофимов Ю.В. // Коллоидн. журн. 1994, Т. 56, №2, с. 187-192.

55. Мелихов A.A., Куни Ф.М.//Коллоидн. журн. 1985, Т. 47, №1, с.77-85.

56. J.C.Maxwell. Collected Scientific Papers, Cambridge, II, 625 (1890). 65.1. Langmuir. Journ. Amer. Chem. Soc., 1915, v.37, p.426.

57. K.Schafer. Z.Physik, 1932, v.77, s.198.

58. H. Фукс. ЖЭТФ, 1934, т.4, вып. 7

59. J. Stefan. Wien Ber., 1881, v.83, p.943.

60. L.Facy. Ach. Meteor. Geophys. Biokhim, 1955, v.8A, p.229.

61. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами. Под. ред. М. Абрамовича и И.Стиган. Пер.с англ. под ред. В.А. Диткина и JI.H. Кармазиной, М.: Наука, гл.ред. физ.-мат. лит-ры, 1976, 832 с.

62. Ландау Л.Д., Лифшиц И.М. Статфизика. ч.1. М.: Наука, 1976, 584 с.

63. Лифшиц И.М., Слезов В.В. // ЖЭТФ. 1958, т.35, № 2, с. 479.

64. Туницкий П.П.// Журн. физ. хим., 1941, т.15, № 10, с. 106.

65. Тодэс О.М. // Проблемы кинетики и катализа. 1949, вып. 7, с. 91.

66. Куни Ф.М., Гринин А.П. П Коллоидн. журнал, 1984, т.46, № 1, с. 460465.

67. Куни Ф.М.// Проблемы теоретической физики. Вып. 3, Л.: Изд-во ЛГУ, 1988, с. 192.

68. Лифшиц И.М., Слезов В.В.// ФТТ, 1959, т.1, вып.9, с.1401-1411.

69. Lifshitz I.M., Slezov V.V.// J.Chem Solids, 1961, vl9, N1/2, p.35-50.

70. Wagner C. // Z. Electrochem., 1961, Bd. 65, Nr 7/9.

71. Кабанов A.C.// Изв. АН СССР, ФАО, т. 16, №2, с. 172.

72. Слезов В.В., Тихонов Е.Ф. О кинетике распада пересыщеных многокомпонентных твердых растворов., препринт ХФТИ 82-22, Харьков, 8с.

73. Кукушкин С.А., Осипов A.B. // ЖЭТФ, 1998, т. 113, вып. 6, с. 21932208.

74. Караченцев A.B. Статистика нуклеации после мгновенного создания пересыщения пара. Автореферат дисс. на соиск. уч. Степени канд. физ.-мат. наук, СПб, 2001.

75. Гринин А.П., Караченцев A.B. // Вестн. СПбГУ. Сер. 4. 2001. Вып.1 (№4). С. 102-106.

76. Wakeshima H.// Journ. Phys. Soc. Japan. 1954, v. 9, N 3, p, 400.

77. Слезов B.B., Шмельтцер И.// Физ. твердого тела. 2001, т. 43, № 6, с. 110.

78. Pesthy A.J., Flagan R.C., and Seinfeld J.H.// Journ. Colloid. Interface Sei. 1981, v. 82, p.465-479.

79. Pesthy A.J., Flagan R.C., and Seinfeld J.H.// Journ. Colloid. Interface Sei. 1983, v. 91, p.525-542.

80. Куни Ф.М., Гринина E.A., Щекин A.K.// Коллоидн. журнал, 2003, т.65, №6, с. 809-813.

81. Grinin А.Р., Kuni F.M., Djikaev Y.SM Journ. Chem. Phys. 2004, v.120, p.1846.

82. Grinin A.P., Schcekin A.K., Kuni F.M., Reiss H., and Grinina E.A.// Journ. Chem. Phys. 2004, v.121, N 1, p.387.

83. Reiss H., and La Mer, V.K. // J. Chem. Phys. 1950. v.18. p.l.

84. Reiss H.// J. Chem. Phys. 1950. v. 18. p.l.

85. Goodrich F.C. //J. Chem. Phys. 1966. v.70. p.3660.

86. Мелихов A.A., Куни Ф.М. // Коллоидн. журнал. 1985, т. 47, № 1, с.77.

87. Luchak G., Lagstoth G.O.// Can. Journ. Res. 1950, v. 20, sec. A, p. 574-586.

88. Фукс H.A. Испарение и рост капель в газообразной среде/ М., 1958.

89. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1988, 737 с.

90. Куни Ф.М. // Коллоидн. журнал. 1985, т.47, № 1, с. 39.

91. Куни Ф.М. // Коллоидн. журнал. 1985, т.47, № 3, с. 497.

92. Куни Ф.М. // Коллоидн. журнал. 1985, т.47, № 4, с. 698.

93. Куни Ф.М. И Коллоидн. журнал. 1985, т.47, № 2, с. 284.

94. Куни Ф.М. Неизотермические эффекты конденсации.// Препринт ИТФ-83-79Р, К., 1983, 26 с.

95. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей/ Л.: Химия, 1982.

96. Стэлл Д.Р. Таблицы давления паров индивидуальных веществ / М.: Изд-во иностранной литературы, 1949.

97. Термические константы веществ. Справочник / Под ред. Глушко В.П. М.: Изд-во ВИНИТИ СССР. Вып. I IX, 1965-1982.

98. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник / Л.: Химия, 1978.

99. Куни Ф.М. // Коллоидн. журнал, 1984, т. 46, № 4, с. 682.

100. Туницкий H.H.//Журн. Физ. Химии. 1941. т 15. №10. С.1061.

101. Тодес О.М. // Проблемы кинетики и катализа. 1949. №7, с.91.275