Термодинамические свойства и кинетика распада метастабильных фаз в системе жидкость - пар и нормальный металл-сверхпроводник тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Уральский орденн Трудового Красного Знамени политехнический институт им.Г.М.Кирова

h/Oiib

Сап Ö Г. Об.

Н.ч права* рукописи УДК 536.423:536.945

ЕРМАКОВ Герман Викторович

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КИНЕТИКА РАСПАДА МЕТАСГАБИЛЬНЫХ ФАЗ D СИСТЕМЕ ЖИДКОСТЬ - IUP И НОРМАЛЬНЫЙ МЕТАЛЛ - СВЕРХПРОВОДНИК

'/¿7 /Г

Специальность 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физике-математических наук

/иердлонск, 1989

Работа выполнена в Институте теплофизики ордена Октябрьской Революции Уральского отделения АН СССР.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор ЗИНОВЬЕВ D.E. доктор технических наук, ст.н.сотрудник КИРЛ4ЕНК0 U.A. доктор технических наук, профессор АЛЬТОВ В.А.

Ведущая организация: Институт высоких температур АН СССР,

Защита состоится "_" _ 1989 г. в

_____ час. ___мин. на заседании специализированного совета

Д.063,14,0о по присуэденню ученой степени доктора наук при Уральской ордена Трудового Красного Знамени политехнической институте ш.С.М.Кирова по адресу: г.Свердловск, уд,Мира, 19, тел. 44-85-74.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Ваш отзыв, заверенный гербовой печатью, просим прислать по адресу: 620002, г.Свердловск, К-2, У11И им.С.М.Кирова, ученому секретаря совета института.

Автореферат разослал "_" _ 1989 г.

Ученый секретарь специали зированного совета

у

¿1, ' 1'.Л.Филипенко

-; СБЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЕОТЫ

Актуальность работы. Реальные фазовые переходы первого рода обычно протекают с отклонением от условий термодинамического равновесия и, как правило, сопровождаются возникновением мета-стзбипьных фаз. лороао известными примерами таких фаз являются гересыщенный пар, перегретая и переохлажденная жидкость, пересыщенный раствор. С реализацией метастабильныу состояний связаны гисгорезисные явления в ферромагнетиках и сегнетоэлектриках, г.'пгнитный перегрев и переохлаждение сверхпроводников. Круг технологий л технических устройств, в которых протекают или сознательно попользуются неравновесные фазовые переходы, очень сирок. Сюда относя". ;я химико-металлургические способы получения и очистки веществ, теплоэнергетические и теплотехнические машины и аппараты, электротехнические устройства с магнитные: и сверхпроводящими элементами. Исследование метастабильных состояний представляет большой интерес а в связи с созданием теории фазовых превращений. В этом плане необходимо изучение фазовых диаграмм, разработка способов расчета свойств метастабильных фаз, постановка экспериментов по кинетике их распада, теоретическое рассмотрение на этой основе конкретных процессов, протекающих с их участием. Отдельно может быть поставлен вопрос о границах устойчивости метастабильных фаз. Важный аспэкт этой проблемы -разработка строгих способов расчета спинодали и ее оценка из экспериментальных данных. Приведенный перечень научных задач и технических приложений определя^^ актуальность исследований з области физики метает хбильных состояний веществ. Излагаемая ниже работа выполнялась в соответствии с координационными планами научного'совета АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика", отдельные ее этапы входили в программу ГККГ 0.14.02.

. Основная проблема состояла в выяснении характера продолжения термодинамических свойств в метастабильную область, изучении кинетики распада метастабильных фаз, выявлении общих закономерностей и различий, свойственных фазовым превращениям в существенно разчичающихся системах. Разрешение основной проблемы потребовало адекватного решения следующих конкретных задач.

I. Газ!аботка и рсшизация статистических методов изучения кинетики распада мотастабильмих ^лз для системы жидкость - пар

и нормальный мэталл - СЕорхпроводник (первого рода).-

2. Создание методик экспериментального исследования термодинамических свойств перегретых жидкостей и наработка экспериментального материала,

3. Обобщение экспериментальных данных, построение алгоритмов описания и экстраполяции в метастабильную область термо,'инамичес-ких и кинетических свойств на базе общих соотношений термодинамики.

4. Сопоставление поведения метастабильных фаз в системе жидкость - пар и нормальный металл - сверхпроводник.

Научнчя новизна. В работах автора впервые:

- предложен и реализован метод измерения р,У,Т - величин для перегретых жидкостей, для нескольких жидкостей проведены р,1/,Т-измерения, показана линейность продолжения р,Т - изохор в метастабильную область;

- на основе экспериментального материала сформулированы методики построения уравнений состояния, определения границы устойчивости (спинодали) жидкого состояния, расчета других термодинамических свойств перегретых жидкостей;

- получен большой экспериментальный материал о границе достижимого перегрева жидкостей в широком интервале давлений, установлено хорошее согласие экспериментальных данных и классической теории гомогенного зародышеобразованмя;

- изучена кинетика вскипания перегретого жидкого гелия, выявлены характерные для него особенности вскипания;

- экспериментально обнаружен новый эффект, позволяющий изменять с помощью ультразвука среднее время жизни перегретой жидкости р пределах от значения, соответствующего естественнкм условиям, до нуля;

- предложен новый способ экспериментального исследования разового перехода нормальный металл - сверхпроводник, систематически изучена кинетика распада метастабильных фаз в этой системе.

Научная и практическая ценность. Проведенные экспериментальные исследования позволяют сформулировать неизвестные ранее методики продолжения термодинамических свойств жидкостей в метастабильную область, подтверждают высокую точность кинетической теории гомогенного аародьт-тобразования и в совокупности являются основой для практических расчетов технологических процессов, протекающих с участием перегретых жидкостей. Данные о кинетике

4

вскипания перегретого жидкого гелия частично расшифровывают механизм "приработки" стенок экспериментальной ячейки, обнаруживают необходимость уточнения теории, описывающей зародыыеобразова-Iше в жидком гелии с учетом "электронных пузырьков". Они имеет практическую ценность в связи с надежным и безопасным кряоетати-рованием сверхпроводников].« магнитных систем, с созданием л эксплуатацией гелиевых пузырьковых камор. Результаты изучения вскипания умеренно перегретых жидкостей в ультразвуковом поле дают возможность предложить простой способ регулирования величины перегрева жидкостей, а данные об образовании зародышевых пузырьков на стенках сосуда представляют интерес для теоретического описания кипения и для проектирования теплообменных аппаратов. Исследования распада метастабильных фаз в системе нормальный металл - сверхпроводник показывают, что, как и в системе кпд-кость - пар, эта процессы являются случайны?.«!, характеризуются экспоненциальными функциями распределения, из этих данных могут быть определены границы устойчивости метастабильных фаз. Влссте с тем в сверхпроводниках на кинетику распада существенное влияние оказывает двумерное смешанное состояние и метаотабильные промежуточные состояния. В практическом плане найдекные закономерности полезны при проектировании токоограничиваоуих и коммутируешь устройств с сверхпроводииковыми экранами. Различные части этой работы выполнялись в соответствии с Генеральным договором с проиэводотшипш объединением "Ура^лсктро-пакмаи", договорами о творческом сотрудничестве с СнбШШЭиергетшсн, 1ПЮ "Гелпй-ГЛаш". Б приложении к диссертации тлеются копии документов о практическом использовании результатов работы. Результаты исследований включены в программу курса "Физшка жидкостей", читаемого па физико-техническом факультете Уральского политехнического института им.С.1,1,Кирова, и аспирантского спецкурса "Теплофизика ц молекулярная физика". Они используются советскими и зарубежными рюшки, о чем свидетельствуют ссылки на работы автора.

Па защиту выносятся следующие результаты и положения.

- Методики экспериментального изучения термодинамических свойств перегретых'жидкостей и экспериментальные данные, полученные с

их помощью.

- Утверждение о непрерывности р,Т - изохор на линии насыщения

и бхизоспз их ь щллш линиям мочаотабнльной области, иополъ-

зование этого результата для описания теплофизических свойств пе-рсгротих жидкостей.

- Способы определения сшшодали но термическим и калорическим дан-пил и методы расчета теплофизических свойств перегретых жидкостей о привязкой к сшшодали.

- Формулы дли точного расчета разности давлений в критическом зародыше и в материнской фазе применительно к перегретой жидкости

и пересыщенному пару.

- Результаты экспериментального определения границы достижимого перегрева жидкостей и утверждение о высокой точности классической теории гомогенного зародышеобразования.

- Особенности зародышеобразования в перегретом жидком гелии -отсутствие приработки стенки сосуда и роста среднего времени жизни до близкой окрестности лиши насыщения.

- Способ регулирования устойчивости умеренно перегретой жидкости облучением ультразвуком.

- Способ экспериментального изучения кинетики распада метастабилышх фаз в системе Ш - СП первого рода путем измерений сред-' него времени их жизни.

- Утверждение о случайном характере распада метастабилышх фаз при переходе Ш - СП, возможности описания гистограмм суммой двух экспоненциальных распределений и монотонном убывании средних времен жизни с углублением в м^гастабильную область.

- Экспериментально установленные зависимости средних времен жизни метастабилышх фаз в сверхпроводниках от внешних факторов.

- Качественный вид диаграмм состояния метастабилышх фаз системы Ш - СП, близость границ устойчивости, найденных из экспериментальных данных по кинетике и по теории Гинзбурга-Ландау.

Личный вклад автора. В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором сшостоятельно и совместно с 7 аспирантами, соискателями и сотрудшками, у которых он был научным руководителем. Автору принадлежит постановка задач, разработка методики экспериментов к расчетов, интерпретация результатов. Автор принимал непосредственное участие в проектировании и создании экспериментальных установок, проведении измерений и их обработке.

Апробация работы. Отдельные этапы работы доложены и получили одобрение на следующих всесоюзных и международных конференциях, симпозиумах, семинарах: Отраслевая научно-техническая кон-

6

ференция по проблемам прикладной термодинамики (Одесса, 1962); Всесоюзная конференция по теплофизическим свойствам веществ при высоких температурах (Новосибирск, IS66); Всесоюзная конференция по поверхностным явлениям в расплавах (Свердловск, I96G); Всесоюзная теплофизичеокая конференция по свойствам веществ при высоких температурах (Одесса, 1971); Конференция по теплообмену Американского института инженеров-химиков и Американского общист-ва инженеров-механиков (Солт-Лэик-Сити, США, 1977); 21 Сибирский теплофизичесюп; семинар (Новосибирск, 1978); 6,7 Всесоюзные конференции по теплофизическим свойствам веществ (Минск, 1978; Ташкент, 1982); 8 симпозиум по теплофизическим свойствам (Геисбург, CLUA, 1901); 8,9 Европейские конференции по теплофизическим свойствам (Баден-Баден, ФРГ, 1982; Манчестер, Англия, 1984); 3 конференция по термодинамике органических соединений (Горький, 1982); Всесоюзное совещание по автоматизации теплофм-зичееккх измерений (Менделеево, 1983); 2 Всесоюзная конференция по техническому использованию сверхпроводимости (Ленинград,1983); 7 Всесоюзная конференция по тепломассообмену (¡Линек, 1984); 3 Всесоюзное совещание "Сверхпроводниковые устройства энергетического назначения (Москва, 1984); Всесоюзный симпоз'лум "Акустическая кавитация и применение ультразвука а химической технологии" (Славск, 1985); Всесоюзное совещание по теплофизике метастабкль-ных жидкостей в связи с явлениями кипения и крлсталллзгщип (Свердловск, 1985); 9 Всесоюзная конференция по дннатлике разреженных газов (Сгердловск, 1987); 4 Всесоюзная конференция по криогенной техники (Москва, IS37); 9 Международная конференция "Криогеника-88" (Усти над Лабем, ЧССР, 1988); 2 Всесоюзная кон- -ференция "Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипении и конденсации" (Рига, 1988).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в одной монографии (переиздана в 1988 г. за рубежом), 62 статьях, 15 тезисах докладов л трудах всесоюзных и международных конференций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введешь, семи глав, заключения. Она содержит 219 страниц основного текста, [)2 рисунка, Г>2 таблицы, список использованной литературы из 361 наименования и 73 страницы приложешш с результатами экспериментов и расчетов.

Во введении показана актуЛлхнос'хг. научная новизна, научная

и практическая ценность работы, сформулированы защищаемые положения. В первой главе изложены основные идеи классического описания метастабилышх фазовых состояний. С единых позиций рассмотрены обе изучаемые системы. Показана не только общность подходов, однотонность проблем, но и совпадении иногда даже формул дм аналогичных ветчин. Главы 2-13 посвящены исследованию теплофизи-ческих свойств перегретых жидкостей. В 6 главе изложены результаты изучена кинетики вскипания иерех'ретых жидкостей. В главе ? рассмотрена кинетика распада состоянии магнитного перегрева и переохлаздешш сверхпроводников первого рода. В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

i. ткгаодшшяш. и кшштккл распада штасташьшх фаз

Представление о мстастабилышх состояниях возникает при термодинамическом анализе равновесия и устойчивости (фаз. Система может сохраняться в однофазном состоянии в области ее равновесия с другой фазой, но как менее устойчивая, метастабильная, по отношению к двухфазному состоянию. Условия устойчивости определяют продолжение свойств метастабилышх фаз за линию равновесш!, а также границу их существования, которая является огибающей (В.II.Скрипов) семейств изокоординат, адиабат и изоэнтальп про -стоп системы. Распад метастабилышх состояний проходит через образование и рост критических зародышей новой фазы в недрах материнской. Возникновению критического зародыша препятствует энергетический барьер, связанный с положительной поверхностной энергией на границе зародыша и исходной фазы. Условия равновесия критических зародышей в системе жидкость-пар хорошо известны. Условия равновесия сверхпроводящей "капли" такхсе неоднократно анализировались (Ю.И.Булашевич, Т.йабер, Д,Сснберг, И.А.Привороц-кий). Величина энергетического барьера - работа образования критического зародыша - пропорциональна поверхностной энергии и площади границы раздела фаз. Согласно Гиббсу она является мерой устойчивости ыетастабилыюй фазы и на границе устойчивости должна обращаться в нуль. ?та проблема тесно связана с зависимостью поверхностной энергии от радиуса зародыша. Она рассматривалась применительно как к сиотеме жидкость-пар (Толыен, А.И.Русанов, В.II.Скрипов), так и нормальный металл - сверхпроводник (Т.Фабер, Да.Бардин). Теория зародшеобразования хорошо развита для сис-

темы жидкость - пар (¡Л.Фольмер, Я.Б.Зельдович, Я.И.Френкель, Ю.М.Каган, Б.В.Дерягин) и практически не разработана для сверхпроводников. Зое варианты теории в качестве основного компонента содержат экспоненциалышй множитель, показателем степени в котором является отношение работы образования критического зародыша к КТ, и отличаются выражением для скорости перехода зародыша через критический радиус. В количественном отношении эти различия сопоставиш с погрешностями измерений и расчетов. В первой главе кратко рассмотрены применение теории гомогенного зародишооб-разования к сложным системам, нуклеацпя з жидком гелии с учетам "электрошок" пузырьков (В.А.Акуличев), использование флуктуа-цнонной теории фазовых переходов для описания метастабильных состояний (А.3.Наташинский).

2. ЗШБОТШЯАЛЫЮВ лзучш1е уравиеш состоггзш r^peltklllx щкостеи

Проблема продолжения термодинамически свойств в область метастабильных состояний относится к числу принципиальных. Она неоднократно обсуждалась теоретически (Ван-Хов, А.Ф.Андреев, В.Н.Крквиов, Б.Н.Ировоторов, В.Л.Эйдус, С.Н.Исаков). Экспериментально же до исследований автора эта проблема рассматривалась лишь в одной работе (К.Л.Висмер). В диссертации предложен метод измерешш плотности перегретой жидкости. Исследуемая жидкость находится в стеклянном пьезометре с рабочим объемом Vp и тер.ю-статируется при температуре Tj. Измерительная часть Vn термоста-тируется при более низкой темп( атуре Т£. Между измерительной и рабочей частями пьезометра тлеется переходная зона Vn . Основ--нал расчетная формула метода получается из условия " остоянства массы жидкости з приборе:

Sp = - 4 \ " Sntí)^ ~ и Ул - ÍmwMÍw) (J) V„

Метод реализован в трех экспериментальных установках, которые в совокупности позволяют проводить измерения в области температур от 500 до 230 К и от 5 до 3,5 К. Состояния перегрева зо всех установках достигаются резким понижением давления ниже давления насыщенного пара. Рабочий объем пьезометров Vp и переходная зона Vn выполнены из стекла. Погрешность определения плотности на всех установках не превосходит 0,5$. В первых опытах изморе-

1ше температуры Производилось с погрешностью 0,1 К, в последующих - о погрешностью 0,02 К. Погрешность измерс1шя давления составляет 0,05 - 0,1 бар. Оценки погрешностей подтверждена; сравнением результатов измерений со справочными данными в стабильной области. Поведение р,гГ,Т - величин в метастабильной облети изучено на н-гексане, диэтиловом эфире, ацетоне, двуокиси углерода. Исследуемые жидкости подвергались осушке и дополнительной очистке ректификацией. Давление в опытах удавалось понтаать до нуля или до границы спонтанного вскипании, соответствующей частоте за-родышеобразовашш Т^ ~ Типичное поведение изотерм и

изохор в метастабильной области показано на рис. I и 2. Из экспериментальных данных следует, что на линии насыщения непрерывны изотерлы, изохоры, изобары, а также производные вдоль них. Существенным экспериментальным результатам является вывод о близости продолжения р,Т - изохор в метастабильпую область к прямим линиям.

3. ФЕШШЮЛ0П1ЧЕСКИЕ МЕТОД] РАСЧЁТА р, гг,Т -ДАННЫХ ПЕРКГРШХ ШДОС'ГЕл

Метод построешш уравнения состояния перегретых »«костей основан на близости р,Т - изохор к прямым линиям:

= Р^Т] + Р2(гг,т) (2)

^ Р» + (Щт -тДи)] * (Щт-т0(.)] (3)

(4)

Ветчина р^(1Г,Т) представляет собой касательную к изохоре на ли нии насыщения или ее линейное приближение. Член р£( 1Г,Т) учитывает кривизну изохоры и является небольшой поправкой к гг,Т). При интегрировании в (5) предполагается, что изохирная теплоемкость непрерывна на линии насыщения, а также не имеет особенностей на спинодали. В диссертации построены уравнения состояния такого типа для всех коследихГ.пных жидкостей и жидкого гелия - 4.

Результат измерений удельного объема двуокиси углерода с заходом в метастабильную область

р,.МПа

5

1 1 801 9 у 6 7 4 х - 1 25 45 <> Ь ""^ч ч

? ?Т XI ■ пИг ^ - Ш У* ' Уг\ А Л * ' Т 11 1 1 V V Ч N Ч ч ч 1

0,9 1,0 V 13 V 70^м/кг:

I - Т = 248,30; 2 - 254,89; 3 - 259,11; 4 - 268,00; 5 - 270,49; 6 - 281,17; 7 - 283,86; 8 - 289,22; 9 - 291,89; 10 - 294,0 К

Рис. I

Продолжение изохор двуокиси углерода в мета-стаб:мы^а область

I - IГ = 0,96; 2 - 0,98; 3 - 1,02; 4 - 1,04; 5 - 1,06;_ 6 - 1,05; 7 - 1,10; 8 - 1,10; 9 - 1,22; 10 - 1,34 10~3м3/кг

Рассмотрены различные аппроксимации объемных функций (ЗТ/ЗР)^ и Т4 (v) . Погрешность уравнений состояния по удельному объему не превосходит 0,5%.

Уравнение для описания изотер.! получается разложением свободной энергии в ряд вблизи спинодали:

1 з 4

PW = ?сп + %{у-%а) -V l(v-vca) + ^(v-Vcn) +... (6)

Численные оценки показывают, что наиболее существенным в (6) является третий член: 3

= Pen + £(v-Vcn) (7)

С учетом данных на линии насыщения для определения коэффициента имеются следующие возможности:

О _ Р* -Реп _ „

L " (Vt ^Vcn)5 " S-te-Vcnf - 27(fs-pcnf w

Дяя удельного объема на спинодали из утих же данных получаем

3(Р,-Рсп) ...

Погрешность приближения (7) слабо зависит от способа определения коэффициента & и не превышает 0,5^ по удельному объему, исключая окрестность спинодали, где она достигает %/■>. Такой же погрешностью обладает и формула (9).

В диссертации рассмотрена возможность использования единых уравнений состояния для расчета р,1Г,Т - величин в метастабильной области. Сравнением с экспериментальными данными и результатами расчетов по уравнениям состояния для метастабильной жидкости по-' казано, что погрешность единых уравнений, состояния не превышает 0,8 - 1,0% по удельному объему. Таким образом, единые уравнения являются одним из лучших аналитических представлений термических овойств перегретых жидкостей и, вероятно, пересыщенных паров.

Изложенные методики обобщены-в рамках однопарамвтрической теории термодинамического подобия Л.П.Силиппова« Для расчета производной (ЭТподложено выражение:

(SL^W* Cww + o.o<ts.Ar.Ml' ш)

где' критерий Рвделя вычисляется по известным из литературы соотношениям. функцию To(lf) можно рассчитать по формуле (4), в

которой все величины в теории подобия описаны аналитически. Проверочный расчет дает для н-гексана расхождения с справочными данными в 0,5/i но объему. В формулах (7) - (9) все параметры также вычисляются по теории подобия. Этот способ апробирован на 12 жидкостях с критерием подобия ст 1,03 до 4,10. Область его применения по приведенной температуре составляет 0,65 - 0,20, а по приведенному давлешво -3+2. При этом величина погрешности не выходит за o/j, а в среднем составляет около 1,5% по удельному объему. Способ слабо чувствителен к погрешности определешш спи-нодалн.

Соотношения (7) и (8) позволяют такие сформулировать простой и точный алгоритм расширешш существующих таблиц на метаста-бильиую область. Несколько точек в стабильной области на изотерме (.}[), критерии подобия и критические параметры позволяют рассчитать коэффициент по формулам (8), давление на линии насыщения и на спинодали по теории подобия и удельный объем на спи-нодали: • ^

Шп - [и* - <ЯГ>j / - l] (II)

ai=(Pl-Pcn)/(Pi-Pcn)» 1 =1.-.JV (12)

Вблизи лишш насыщения такой расчет приводит к ошибке всего з 0,03 - 0,5/а по объему. У спинодали ока может достигать 2}L По этой методике ¡¡а метастабильную область расширены таблицы для 20 жидкостей.

Точные уравнения состояния метастабильных фаз дают возможность рассчитать изотермическое приращение химического потенциала относительно линии насыщения и найти разность давлений в материнской и зародышевой сказах. Эти расчеты показали, что хорошо известное и широко используемое приближение для перегретой жидкости:

р" - Р" ^-p'K^-v) ■ <13)

обладает погрешностью не более 2% даже вблизи грашщы достижимого перегрева и спинодали.

Принимая для пара в качестве точного едшюе уравнение состояния и производя аналогичные расчеты, находим, что уравнение Кельвина дает погрешность до 70^, а уравнение Эпштейна - до 20%.

В диссертации рассмотрены различные аппроксимации р,1Г- изотермы пересыщенного пара, приводящие к существенно более точным результатам. В качестве наиболее простого предлагается соотношение:

Его погрешность менее 3$.

4. ЭШШЩШ'АЛЫЮЕ И РАСЧЕТНОЕ ОПЕДОМШ ИЗОБАРНОЙ Т1ЖОШКОСТИ И СКОРОСТИ РАСПРОСТРЁМКЯ УЛЬТРАЗВУКА В ПЕРЕГРЕТЫХ шщкостпх

Для измерения изобарной теплоемкости перегретой жидкости использован метод проточного калориметра. Калориметр выполнен из стекла и имеет конструктивно минимальный объем. Погрешность измерений оценивается в 3-5$. Измерения Ср проведены для н-гекса-на по 12 изотермам в интервале температуры 129,7-226,0 С (см. рис. 3). Глубина проникновения в метастабильную область изменяется от 6 бар при низких теш!ературах до 0,5 бар при наиболее высоких. Как и р,1Г - изотермы, изотермы теплоемкости и ее производной но давлению непрерывны па линии насыщения. Теплоемкость почти не изменяется с изменением давления до температур 170-180 С. При более высоких температурах ее изменение становится заметным уже в стабильной области, что связано с приближением к сппнодалн.

Скорость звука измерена импульсным методом с "привязкой" данных к линии насыщения. Погрешность опытных значений составляет 0,2 - 0,5/5- Измерения проведены в интервале температуры 100200 С для н-пентана, п-гексана, п-гептана, бензола, ацетона, диэтилового офира. Типичная зависимость скорости распространения ультразвука от давления и температуры показана на рис.4. Скорость ультразвука монотонно убывает с увеличением перегрева. с погрешностью около 0,5/2 отрезки изотерл аппроксимируются лл-нейной функцией.

Попытки рассчитать абсолютные значения теплоемкостей по уравнению состояшш и данным о скорости распространения ультразвука не дают положительного результата. Это отмеча I и другие авторы. Расчет приводит к довольно сильной зависимости изохор-ной теплоемкости от объема на изотерме, которая должна была бы проявиться в нелинейности р,^-лзохор. Наилучший результат получается в приближении постоянства изохорной теплоемкости на

Результаты измерений и расчетов изобарной теплоемкости н-гексана в стабильной и метастабильной области

'КГ к

5 4 3

-10 1 2 3 4 р,МГЪ

I - Т = 129,?; 2 - 148,0; 3 - 157,2; 4 - I6G.G; 5 - 180,1; 6 - 187,0; 7 - 197,5; 8 - 206,3; 9 - 210,7; 10 - 2IG.2;

II - 220,2; 12 - 226,0. С. Точки - эксперимент, сплошная линия - расчет по фор-луле (15)

Рис. 3

Продолжение изотерм скорости распространения ультразвука в метастабильную область для н-аентана

. ид '. , .

б00 „-»т^»»»»»^ -

500yjooooo-i

403 300

0 0,5 1,0 1.5 2,0 р.МПа

I - V - 113,32; 3 - 133,2С,; 4 - 141,59; 5 - 159,20; С. - 103,64; С; 7 ~ л.чшш насЛаиелд

ire. 4 x-'i

изотерме (см. рко. 3):

Ех'о погрешность но более Ъ-1% и, как правило.шике 1-3$. Б диссертации разработаю! способы непосредственной экстраполяции теп-лоемкостей в мстастабильную область. Показано, что колшлекс Т/Ср-Сц- па нзохоре является линейной функцией температуры и давления. Это утверждение подтверждено обработкой справочных данных для семи жидкостей. Для экстраполяции изобарной теплоемкости предложены и проверены степенная и логарифмическая аппроксимации с "привязкой" к сшшодали и линии насыщения:

Ср = с^[(рсп-р..)/(рсп-р)] (16)

+ а.г«г[(рсп-р5г)/(р<: п-р)] (17)

Эти фор.1улы описывают теплоемкость стабильных жидкой и паровой фаз (аргон, вода) с погрешностью 1-3$. В метастабильной области погрешность возрастает от 2 до Ш/5 в окрестности спинодали.

5. ГРАНИЦА. УСТОЙЧИВОСТИ и ткпломзичискик СВОЙСТВА ПЙН5ГРШХ ЖИДКОСТЕЙ

В диссертации предложен целый ряд методов определения границы устойчивости перегретых жидкостей, основанных на экстраполяции различных термических и калорических величин. Все способы апробированы, произведена оценка их точности и сравнешш друг с другом. Наиболее надежным и точным способом определения спинодали является построение уравнения состояния, справедливого в метастабильной области, и вычисление ее в соответствии с термодинамическим определением. Для вычисления спинодали пригодны единые уравнения состояния, более простые уравнения, описывающие р,V -изотермы жидкости и пара непрерывным образом (уравнение Гкмпана). Весьма точно описывает р,Т - проекцию спинодали уравнение йюрта: ^

Реп = р* - ¿г- (1ст) • - ^Д;) (18)

$ ,Т - параметры епшюдали могут быть определены экстраполяцией к нулю вдоль изохор производной ( ), комплекса Т/Ср-С-у, Некоторые результаты¡представлены на рио.5 и 6. Расхождения , которые наблюдаются при сравнении различных методов вычис-

а i-

а

I

со

а

cö

5

а о

¡J

id

ч

а> П о

я о

Я Ен сЗ

H Л

ч

m о

о ir» о •— i i i i : : i i i i i Iii

с • > ч о » п П & • 4 е

fi 3

А ж

леш;я спиподали, сопоставим с погрешностями расчетов и составляют 0, по температуре п 2-3$ по удельному объему.

В диссертации дано аналитическое решение уравнения Гибб-са-То^.'.ека-Кенига-Баффа, определяющего зависимость поверхностного натяжения от радиуса зародыша, в приближении Толмепа Сх>аз— ность радиусов эквимолекулярной поверхности и поверхности натяжения при заданной температуре является постоянной величиной) и предложен способ вычисления этой константы по координатам епино-дали. Расчеты проведены для воды, п-гексаиа, аргона, двуокиси углерода. Пр:: заходе в метастабилыун область на 3-5 бар (аргон) приближенно предсказывает уменьшение поверхностного натяжения па 0-15$ по отношешю к его значению на плоской гранзде раздела фаз. Столь большое изменение поверхностного натяжения при сравнительно малой степени метастабильности было бы обнаружено в опытах по кинетике зародышеобразовашш. Таким образом, приближе-нке Томлена оказывается слишком грубым.

Различные способы определения спинодали дают весша близкие результаты. По этой причине свойства, по которым ока определяется, оказываются связанными. С привлечением небольшой дополш-тельпой информации по одним свойствам можно определять другие. Эта возможность продемонстрирована на приглере расчета температурной зависимости поверхностного натяжения жидкого гелия при Т > 4,2 К с помощью формулы йорта и единого уравнения состояния.

6. КИНЕТИКА ВСКИПАНИЯ ПЕРЕГРЕТЫХ Ш'ЩКОСТЕЙ

Практически достижимая граница перегрева определяется кинетикой фдуктуациошшго образования жизнеспособных зародышей пара и существенно отличается от границы термодинамической устойчивости. Для экспериментального определения границы достижимого перегрева жидкостей использован метод нагрева маленьких капелек в другой нагретой жидкости, приспособленный для проведения опытов под давлением. Исследовано II жидкостей: парафины, перфтор-парафкны, циклогексан, ексафторбензол. Результаты для н-пента-на и перфторпентана приведеш на рис, 7. Частота зародышеобразо-вшшя на границе достижимого перегрева оценена в 10® см"Аг* и для.нее проведено сравнение о теорией (вариант Дерикга-Фольмера):

^«^•В-ехр^-^ (19)

Граница достижимого перегрева н-понтана (I) и перфторпентана (2)

Сплошные линии Тп - расчет по формулам (19) - (21). Рис. 7

Граница достижимого перегрева жидкого гелия

1,2 - расчет по формулам (19) - (21) о использованием различных данных о поверхностном натяжении; 3,3 - расчет и эксперимент Сингха Д.II., 4,7 - то яе Ншшгаки; 5 - граница равновесия "электронных пузырьков"; 8 - наши дашше; 9-е

учетом зависимости С? (Ъ)

>

Рис. 8

(2. + P'/Ps) IT-wx.

Vk

(21)

Для всех жидкостей разность ме;зду измеренными и вычисленными значениями температуры перегрева не превышает 1-2 К и часто составляет дол:: градуса. Таким образом, кинетическая теория заро-дышеобразования поучает основательное экспериментальное подтверж-

дая теох)ИИ особый интерес представляет изучение перегрева жидкого гелия. В опытах с жидким гелием использован метод измерения среднего времени жизни с помощью чистой пузырьковой камеры. Измерения проведены в интервале давления 0,5-1,2 бар и температуры 3,55-4,65 К. В отличие от обычных жидкостей у жидкого гелия отсутствует рост среднего времени жизни с приближением к температуре насыщения. Эта особенность объясняется высокой радиационной чувствительностью гелия, что подтверждено расчетом. Другая сссбышость вскипания гелия - отсутствие этапа приработки стенки сосуда. Она обусловлена отсутствием па стенках адсорбированных газов. Таким образом, проясняется существенная деталь механизма приработки стенок сосуда в случае обычных жздкостей -удаление газов со стенки в объем жидкости. Граница достижшого перегрева, соответствующая среднему времени жизни около 0,1 с, хорошо согласуется с известными литературшаш данными (см. рис. 8). .Максимальные значения температур перегрева оказываются меньше теоретических значений на 0,01-0,02 К и часто совпадают; Таким образом, теория гомогенного зародышеобразовашя описывает перегрев жидкого гелия' приблизительно с такой же относительной точностью как и высококипящих 'жидкостей. В ряде опытов, однако, получены температуры перегрева существенно более низкие, чем теоретические. При этом характерно, что качественный вид изобар среднего времеш1 жизни и даже величшш наклона крутого участка кривой (граница спонтанного вскипания) практически та же, что и при высоких перегревах. В диссертации рассмотрено влияние на кинетику зародышеобразовашш в гелии специфических начальных зародышей - "электронных" пузырьков. За границей устойчивого равновесия они должны проявляться как готовые центры кипения.

денпе.

Однако в опытах давление удавалось снизить заметно шксс этой границы, причем для вскипания всегда требовалось некоторое случай-нос по величине время. Расчеты по теории зародышеобразования, учитывающей присутствие "электронных" пузырьков (В.А.Акуличев), показывают, что теоретическая граница достиж:»;ого перегрева должна лежать почти на 0,1 К ниже экспериментальной, из чего следует необходимость корректировки теории. Для жэдкого гелия в приближении Толмена учтена зависимость поверхностного натяжения от радиуса зародыша при вычислении теоретических температур перегрева. Уменьшение поверхностного натяжения в этом приближении оказывается слишком большим и ухудшает описание экспериментальных данных.

Вдали от границы достижимого перегрева механизм вскипания перегретой жидкости становится существенно другим. Па первый план выступают факторы, способствующие вскипанию. В диссертации экспериментально исследовано инициирование вскипания умеренно перегретой жидкости ультразвуком. В опытах измеряется среднее время жизни перегретого н-гексана в зависимости от частоты и интенсивности звукового поля в стеклянной ячейке. Ультразвук не изменяет случайного характера вскипания, а лишь увеличивает его вероятность. Уменьшение среднего времени жизшг особенно велико около резонансных частот ячейки. Изменением частоты и амплитуды колебаний возможно регулировать его от значения, соответствующего отсутствию ультразвука, до нуля. Этот эффект ¡злеет место во всей метастабилыюй области. Он связан с активацией "слабых мест", которые не содержат готовых зародышей пара, но облегчают их образование термофлуктуациошшм путем (Я.И.Френкель).

Визуальное наблюдешь вскипания перегретой жидкости на твердой стенке проведено при малых и больших перегревах. В первом случае наблюдали зарождение пузырьков пара на тонкой платиновой нити, погружешюй в жидкость, и измерял! время между резким на-бросом нагрузки и появлением пузырьков на выбранном центре. Опыты проведены при атмосферном давлешш с водой, жидким азотам и жидким гелием. Время активации слабого места изменяется от опыта к опыту случайным образом, гистограммы описываются показательным распределением, вид зависимости среднего времени активации от температурного напора, (или мощности) аналогичен изобара!.! среднего времени жизни, получаемым на пузырьковых камерах. При

высоких перегревах для визуального наблюдения использована миниатюрная пузырьковая камера, допускающая ограниченный рост паровой фазы и позволяющая наблюдать центри зародышеобразования с помощью микроскопа. Вскипание сильно перегретой ходкости в стеклянном капилляре происходит также па отдельных "слабых местах". Граница достижимох-о перегрева определяется одшпл слабейшим централ с наименьшим временем активации. В диссертации приведены изобары средних времен активации как отдельного центра, так и их совокупности. Близость опытной и теоретической границ перех'рева означает, что в этих опытах достигается высокая степень гомогенности: размеры "слабых мест" близки к размерам критических зародышей, соответствующих теоретической границе перех\рева, а число их не велико. Таким образом, результаты экспериментов по кинетике вскипания в совокупности подтверждают правильность теории галогенного зародыыеобразовашш. Устранение "слабых мест1' приведет к еще лучшему согласш теории и эксперимента.

7. клизтика распада 1лктастабшшпя фаз в системе

норыадьшй ¡детали - сверхпрозодпж

Почти с малента открытия ¡летастабилышх состояний в системе нормальный металл - сверхпроводник первого рода (Г.Камерлинг-" Опнес) они рассматриваются как аналог соответствующих состояний жидкости и пара и получили название магнитного перегрева и пере-охлаадешш. Информация, тлеющаяся о перегретых жидкостях, во многом определяет направления их исследований. В диссертации дан краткий обзор экспериментальных работ по этой теме, показано, что вопрос о случайном характере распада этих состояний не только не изучался, но и не ставился.

В диссертации уточнеш диаграммы состоя1шя ыетастабилышх фаз в системе к.1-сп. Во вшелашхе приняты непрерывность терло- ■ динамических характеристик и их производных при переходе в глета-стабильную область, условия устойчивости, существование границ устойчивости и их геометрическая связь с различными изолиниями. Для изучения кинетики распада метастабильных фаз в сверхпроводниках использован тот же метод, что и для пехлгретых жидкостей,-метод измерения среднего времени жизни. Исследуемы!! образец в виде стержня размещается в продольном магнитном поле, профилированном так, чтобы концы образца всегда были в стабильном сос-

'ояшш. Магнитный перегрев (переохлаздение) достигаятсл быстрым

[овкшением (уменьшением) магнитного поля выше (ниже) критическо-■о значения. Переход образца в более устойчивое состояние фпкеи->уется с помощью сигнальной катушки по эффекту Моисснера-Оксоп-юльда. 3 диссертации подробно рассмотрены методические вопросы остановки экспериментов: гравировка магнитной системы, однород-ость поля, его воспроизводимость и стабильность, крпостаткроза-ие магнитной системы и образца, измерение температуры и времен жизни, зовдуа комереннД от помех. Исследования проведена па бразцах из ртути, свинца, олова, индия и тантала. Б опытах ус-ановлен случайный характер распада состояний магнитного перегре-а и переохлаждения сверхпроводников первого рода. Из анализа :icTori>awi следует, что их вид практически не зависит от типа этастабильного состояшш, материала образца, обработки его по-зрхности. Па средние времена жизни не оказывают влияние: время ребывашш образца в исходном магнитном поле и его величина, ско-зсть изменения внешнего магнитного поля, величина поля концевых ггушек, транспортный ток. Покрытие образца тонким слоем меди ¡сколько увеличивает среднее время жизни, а небольшая перепен-ш составляющая магнитного ноля заметно уменьшает его. Вид фуш?-ш распределения установлен анализом представительных выборок, изученных на электрополированном монокристаллическом образце :ова. Она является суммой_двух экспоненциальна: распределений характерными временами

- 'Д^1 и Га = Д^1 (см.рис.9):

атистическая обработка первичных экспериментальных данных с етом этого результата и с применением к элементам двух подвы-рок соответствующего статистического критерия для их цензурл-вания приводит к монотошю убывающим зависимостям и глубины вторжения в метастабильную область,что демонстриру-рис. 10. Абсолютная величина среднего времени жузни первого гастабильного состояния С^) не превосходит 20 с как при пе-эхлаждешш, так и при перегреве. При перегреве обращается :1уль при некотором граничном значешш поля. При переохлаждешш , не обращается в нуль даже при 51=0. Мишплальпое значешш ^ , зтавляет 1-13 с в зависимости от 1латернала образца. Среднее 5мл жизни второго метастабильного состояшш (Т2 ) превосходит

Распределение элементов выборки по величине времени »изни

Олово, электрополированныи монокристалл, переохлаждение, Т в 3,2 К, = 45 Э

Рис. 9

Зависимость средних времен жизни метастабильных фаз от напряженности магнитного поля

Олово, электрополированныи монокристалл, Т = 2,8 К; I ; 2 -

Рле: ;10

1; , в 4-15 раз. Для него характерен сильный рост при подходе к критическому полю. При перегреву наблюдается х'ршшца, на которой Г2 = 0. При переохлаждении тлеет конечное значение до 11=0. Два средних времени жизни характеризуют распад двух метаста-бильпых состояний: состояния магнитного перегрева или переохлаждения и метаотабильного промежуточного состояния. Последнее связало с пеидеальностыо материала по составу и структуре и ягъшет -ся состоящем с неоднородно распределенным потоком по объему образца. При переохлаждении релаксация внутреннего поля в образце существенно заторглажлвается из-за возникновения на его поверхности двумерного смешанного состояний (ДСС) (И.Л.Ландау, Ю.В.Шар-вин) . Переход системы в метастабильное состоянио имеет уже не скачкообразный характер, а происходит по экспоиенциалыюглу закону с характерным зремепем Т" = 2-5 с (олово). Возшпотовепие ДСС при переохлаждении учтено в диссертации введением двух поправок. Во-первьк, результаты измерений отнесены к большим полям, устанавливающимся в образце к концу среднего времени жизни. Во-вторых, рассмотрена нестационарность распада переохлажденной фазы в модели линейной зависимости А^ от времени (см.рис.II). Границы устойчивости метастабильных фаз определены"1 экстраполяцией к нулю средних времен жизни и по теории Гинзбурга-Ландау. Расчеты выполнены для олова =0,135) и индия (зес=0,Ш). Граница перегрева найдена тшежо экстраполяцией дашшх о глубине проникновения (Ю.В.Шарвин) с помощью зависимости:

(i-t/tj"'" . «„

Результаты расчетов хорошо согласуются между собой (см.рис.12).

ОБОЗНАЧЕНИЯ

Л- критерий подобия Л.П.Филиппова; В - скорость перехода зародыша через критический размер; С - теплоемкость, H - напряженность магнитного поля; J^ - частота зародшлеобразованкя; К - постоянная Больцмата; - чиолешшй коэффициент, теплота испаре-пия в расчете на молезеулу; т.- масса, масса молекулы; Jf - число частиц, число измерений, N\ - число молекул в единице объема; р - давление; - радиус зародыша; Т - температура; V - объем; 1С- скорость распространения ультразвука; V - удольпый объем; W- работа образования зарода:а; X. - параметр Гинзбурга-Ландау;

Результаты корректировки дан них по магнитному переохлаждению

олова

10

0 50 ЮО Нэ '.

Т = 2,8 К, I - после введения поправки на скорость установления поля; 2-е учетш нсстациокарности распада; - грашща переохлаждения по теории Гинзбурга-Ландау

Рис. II

Теоретические и опытше границы устойчивости метастабильных

фаз в олове

ИЗ

<с

хо

со

; 50 а5 хк

1,2,3 - Нс2 (по теории Гикзбурга-Ландау); 4 - Не; 5 - Нс^ (по теории Гинзбурга-Ландау); I - Ъгс = 0,087; 2 - 0,135; 3 - 0,158; 6 - по опытным даннш; V - экстраполяция глубины прошжновешш по формуле (23)

Рис. 12

Я - глубина проникновения, Á — V - постоянная распада мета-стабчльного состояния; - приведенное давление; $ - плотности; <£> - коэффициент поверхностного нат жения: V - приведенная температура, характерное время процесса, время жизни метастабильной фазы; - приведенный объем. Индексы: 1 - принадлежность к жидкой фазе; 11 - к паровой; ,^ ^ - усреднение; сп - спкнодаль, п - граница достижимого перегрева; кр - критическая точка системы жидкость-пар; С - критическая точка системы нормальный металл - сверхпроводник; ¡S - линия равновесия фаз; к - критический зародыш; г>к-,£С - соответственно, магнитный перегрев и пчреохлатдение; Ср с^ - границы устойчивости соответственно состояний магнитчого переохлаждения и перегрева.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДУ

I. Экспериментально исследовано продо;ы:ение термодинамических свойств жидкостей в область метастабильных состояний, найдены и апробированы методы их расчета.

1.1. Разработаны методики измерений и создан комплекс экспериментальных установок для p,U",T - измерений, измерений изобарной теплоемкости и скорости распространения ультразвука а перегретых жидкостях. Для нескольких жидкостей измерены зависимости этих величин от параметров состояния при глубоком вторжении в метастабильную облает^.

1.2. Показано, что изотермы, изохоры, изобары р,гГ.Т-свойств, теплоемкости и скорости ультразвука вместе с их первыми производными вдоль этих изолиний непр. jubhu на линии насыщения, р,Т-изохоры линейно продолжаются в метастабильную область.

1.3.,На основе экспериментальных данных разработ ны методы и построены конкретные уравнения, позволяющие рассчитывать р,у,Т-свойстаа с погрешностью менее 0,5$ по удельному объему и изобарную теплоемкость с погрешностью не более 5%.

Этот уровень точности обеспечивается уже линейным приближением р,Т - изохор, их кривизна учитывается по данным об изохор-ноЯ теплоемкости.

В разложении уравнения состояния вблизи спинодали достаточно сохранить члены но выше третьего порядка, чтобы достичь указанный уровень точности.

Единые уравнения состояния являются хорошим способом описания термических свойсть метастабильных фаз в системе жидкость-

27

пар.

1.4. Однопараметрическая теория термодинамического подобия обобщена на область метастабильных состояний. Она обеспечивает расчет р,"Ц",Т-данных по минимальному количеству исходной информации с погрешностью 0,1-2'$ по удельному объему. IIa ее основе предложен и для 20 технически важных жидкостей реглизоиал простой способ продолжения таблиц р,V,Т-д«нних за линию насыщения.

1.5. С помощью уравнений состояния, справедливых о мотаста-бильной области, оценена пригодность общепринятых формул для расчета разности давлений в критическом зародыше и в t/зтастабиль-ной фазе. Показано, что погрешность простейшего соотношения для пузырька пара в перегретой жидкости не превышает 1$ даже в окрестности сшшодали, а приближения Кельвина и Зпштейна для капельки в пересыщенном паре дают ошибку от 20 до 70$. Для этого случая предложены формулы с погрешностью менее 1-3$.

1.6. Предложены и реализованы способы определения границы устойчивости жидкой фазы (слинодали): по уравнению состояния для перегретой жидкости, по единым уравнениям спстояни> , уравнениям тип1! уравнения Ван-дер-Ваальса, по формуле Фюрта, экстраполяцией по изохорам производной ("Зр/'Зи" ij, , разности изобарной и изохорней теплоемиостей. Различные способы определения спино-дали отличаются по температуре в пределах 1-3 К и по удельному обьему на 1-3$.

2. Экспериментально исследована кинетика зародышеобразова-ния в перегретых жидкостях при больших и малых перегревах, а также в ультразвуковом поле. Обширные экспериментальные данные подтверждают справедливость, высокую точность классической теории гомогенного зародышеобразования.

2.1. Создан комплекс экспериментальных установок для измерения границ достижимого перегрева и средних времен жизни перегретых жидкостей. Изучены II органических и фторогранических жидкостей и жидкий гелий.

2.2. Выяснены особенности вскипания перегретого жидкого гелия. При работе с гелием не требуется "приработка" стенок сосуда. Это свидетельствует о том, что этап "приработки" в случае обычных жидкостей связан с дегазацией стенок измерительной ячейки. При подходе к линии насыщения у перегретого жидкого гелия

не наблюдается рост средне :о времени жизни вследствие его высокой радиационной чувствительности.

2.3. Кинетическая теория гомогенного зародшеобразовання дает на 0,2-0,6% более высокие по сравнению с опытом значения том-

т ТО Q Т

пературы перегрева как для обычных жидкостей С Рi. — 10 н е/, Тп 2г 500 К), так и для жидкого гелия (Jt^ юЧг^с-*,.Тп о« 5 К). Учет в теории гомогенного зародыазобразовапия для гелия "электронных" пузырьков, а такко зависимости поверхностного натяжения от радиуса зародыша не приводит к лучшему согласию теории и эксперимента. Указанные уточнения требуют дополнительного анализа и корректировки.

2.4. При облучении перегретой жидкости ультразвуком с частотой, близкой к резонансной для данной экспериментальной ячейки, имеет место резкое снижение среднего времени жизни жидкости в состоянии перегрева. На этой основе предложен способ регулирования устойчивости (среднего времени жизни) умеренно перегретой жидкости от значения, соответствующего естественным условиям,

до нуля.

2.5. Визуальными наблюдения;® зарождения пузырьков пара в слабо и сильно перегретых жидкостях установлено, что в обоих случаях они образуются на "слабых местах" стенки, случайно, их появление характеризуется экспоненциальной функций распределения. Зависимости среднего времени активации "слабого места" от температуры по изобарам при сильном и слабом перегреве подобны

ДРУГ другу.

3. Экспериментально изучен случайный характер распада мета-стабильных фаз в системе нормальный металл - сверхпроЕОдник первого рода, определены границы их существования.

3.1. Разработан способ и создана экспериментальная установка для изучения кинотики распада мотастабильных фаз в система нормальный металл - сверхпроводник порвого рода, проведены измерения среднего времени жизни метастабильных фаз на образцах из ртути, свинца, олова, индия и тантала в зависимости от температуры и pnieaiero магнитного поля.

С.2. Респад состояний магнитного перегрева и переохлаждения нрочсход''т случайным образом. Качественный вид гистограмм не за— висит от типе метастабильного состояния (перегрев или переохлаждение), от митериа.:а ч структуры образцов, качеств? обработки ¡юьерхнос.":;.

С.З. Сред.ые opö.l>«iiu i»i >лтнст1>£ильних фаз у лоликрпеп-л-

2J

лических образцов ьшс, чег.- у мочокрлсталлических, покрытие образца слоем меди приводит к увеличению среднего времени жизни, величина же начального ьнеинего магнитного ноля, вромя вп,сржки в нем, скорость изменения внешнего магнитного поля, наличие в образце транспортного электрического тока не влияют на величину среднего времени жизни. Слабая переменная составляющая внешнего магнитного поля ичициирует распац »/етрст.'-'бильных состояний.

3.4. Англиз представительных выборок показывает, что гистограммы опмгов по определению средних времен жизни описываются суммой двух экспоненциальных распределений. Характерные времена распределений, нрйденные статисги"еской обработкой первичных данных, монотонно убывают с углублением в метастабильную область. Меньшие из них характеризуют распад состояний перегрева и переохлаждения, а большие связаны с распадом метастабильных промежуточных состояний.

3.5. Предложен качественный вид диаграмм состояния мета-стабильных фаз. Границы перегрева и переохлаждения (с учетом двумерного смешанного состояния), найденные из экспериментальных данных по кинетике, находятся в хорошем согласии с результатами расчетов по теории Гинзбурга-Ландау.

Результаты работы подтверждают, эффективность термодинамического подхода к анализу свойств метастабильных фаз, свидетельствуют об общности статистических закономерностей распада метас-тябильных состояний в системе жидкость - пар и нормальный металл - сверхпроводник, отражающих однотипный механизм флуктуа-ционного образования и роста критического зародыша.

В итоге выполнения исследований существенно развито новое научное направление - термодинамика и кинетика распада' метастабильных состояний при фазовых переходах первого рода.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДЯЩИХ РАБОТАХ

1. Скрипов В.П., Ермаков Г.В. Зависимость предельного перегрева жидкостей от даьления/ДйХ. - 1964. - т.38,№2. -с.396-404.

2. Ермаков Г.В., Скрипов В.П. Линия насыщения,критические параметры и достижимый перегрев перфторпарафинов// ЖФХ. - 1967,-т.41,:?1. - с.77-81.

3. Скрипов В.П., Ермаков Г.Б. Давление пара с зародышевом пузырьке// Коллоидный журнал. - 1967. - т.29,'¿5. - с.724-727.

4. Ермаков Г.В., Скрипов В.11. Экспериментальное определенно удельных объемоз перегретой жидкости// ТЗТ. - 1968. - т.6,.'."1. -с.89-96.

5. Ермаков Г.В., Скрипов В.П. Экспериментальная проверка теории гомогенного зароданеобразования в перегретых жидкостях/Л'.&Х,-1969. - т.43,"9. - с.2214-2217.

6. Ермаков Г.З., Скрипов В.П. Термодинамические свойства перфторуглеродов// КЗХ. - 1909. - т.43,?."5. - с.1308-1309.

7. Ермаков Г.З., Скрипов В.П. Уравнение состояния и границы устойчивости метастабильной жидкости// ТЗТ. - 1970. - т.8,.75. -с.976-982.

8. Ермаков Г.Б., Буланоз Н.В., Скрипов В.П. Удельные объемы жидкого черегретогс диэт.члооого эфира// Теплофизика. - Свердловск: УКЦ АН СССР, 1971. - с.П-21.

9. Ермаков Г.В., Скрипов З.П. Термодинамические свойства перфторуглородов// Там же, с.44-49.

10. Ермаков Г.В., Байдаков В.Г., Скрипов В.П. Плотность гере-рретого днэтилового эфира и граница устойчивости жидкого состояния// m. - 1973. - т.47,М. - с.I02C-IC27.

11. Ермаков Г.В., Башкатов Н.В. К определению границы устойчивости однородней фазы// НФХ. - IS76. - т.50,7-9. - с.2395-2397.

12. Ермаков Г.В., Исмагилов Р.Г. Скорость ультразвука, адиабатическая сжимаемость и теплоемкость перегретого жидкого н-гзк-сана// Т5Т. - 197ь. - т.15,,\"5. - с.1097-1099.

13. Ермаков Г.В., Исмагилов Р.Г. Вычисление термодшамкчес-ких свойств перегретой жидкости из дрлных по скорости ультразвука// Теплофизика метлетабильных систем. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1977. - с.48-52.

14. Семенова Н.У., Ермаков Г.В. К определению границы термодинамической устойчивости однородной жидкости// Там же,с.73-76,

15. Superheated liquids: thensophysical propertioo, honoge-пооиз nucleation arid explosive boiling-up / V.Skripov, C.Ermakov, E.Sinitoin, et al. // ASME Paper No 77-HT-87, AlChS - ASbiE Heat Transfer Conference. - Salt Lake Citi, Utah, 1977. - 12 p.

16. Ермаков Г.З., Граница устойчивости фазы и зависимость поверхностного натяжения зародыша от радиуса кривизны его поверхности// ТЗТ. - 1973. - т.16,72. - с.294-298.

17. Ермаков Г.В., Семенова Н.М. К расчету зависимости равновесного давления пересланного пара от радиуса зародышевой капли// ТВТ. - 1979. - т.17,"-3. - с.5'52-556.

31

18. Scmenova N.M., Ycnaakov G.V. The Liait of Theraodvnamic Stability of Single-Phaoe Liquids // Heat Tranofer - Soviet Research. - 1979. - V.11, Нб.

IS. Ермаков Г.В., Башкатов H.B. Экстршюлядия теплоемкости в область мета^табильных состояний// Перегретые жидкости и фазовые переходы. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1979. - с.73-75.

20. Ермаков I'.B., Семенова II.M. Единое уравнение состояния для описания р, v Д'-данных перегретой жидкости и пересыщенного пара// Там же, с.85-88.

21. Yemakov G.V., Ismiaeilov R.G. Calculation of Thernody~ namic Properties of Superheated n-licxane fron Data on tho Speed of Ultrasound in it // Heat Transfer - Soviet Reoearch. - 1979. -- v.11, Ti6.

22. Башкатов II.B., Ермаков Г.В. Экспериментальная установка и результаты измерений р,гг,Т-данных перегретого жидкого ацетона// ТВТ. - 1979. - т.17,й5. - с.1115.

23. Семенова H.i/1., Ермаков Г.В. 0 возможности описания мета-стабильных состояний жидкости и пара с помощью единых уравнений состояшш// Метастабилыше состоять при фазовых превращениях. -Свердловск" УНЦ АН СССР, 1980. - с.8-10.

24. Ермаков Г.В., Семенова 11.Ы. Зависиглость поверхностного натяжения от радиуса кривизны поверхности раздела фаз в приближении постоянства толщины переходного слоя// Фазовые превращения

и неравновесные процессы. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1980. -с.81-84.

25. Теплофшзические свойства жидкостей в метастабильном состояшш. Справочник/ Скрипов B.1I. , Сишщын Е.Н., Павлов II.А., . Ермаков Г.В. и др.// 1.1.: Атомиздат, 1980. - 208 с.

26. А.с. 7533IS (СССР) Способ осуществления и изучения фазового перехода/ Ермаков Г.В., Сррокин Н.Л. - Опубл. в Б.И., 1981, йЗЗ.

27. А.с.945776 (СССР) Способ контроля устойчивости перегретой жидкости/ Ермаков Г.В., Федоров А.П. - Опубл. в Б.И., 1982, J." 27.

28. Исмагилов Р.Г., Ермаков Г.В. Скорость звука в некоторых перегретых органических жидкостях// ТВТ. - 1082. - T.20.JS4. -

с. 677-6 82.

29. Баикатов Н.В., Бебешша Т.А., Ермаков Г.В. Уравнения состояния перегретых жидких ацетона и н-гексана// ТВТ. - 1982. -

32

t.20.J32. - о.380-382.

30. Вашкатов Н.В., Ермаков Г.В., Аношкпн С.П. Экспериментальное определешш изобарной теплоемкости перегретого н-гсксана// Отдел физико-технических проблем энергетики УЩ АН ССОР. -Свердловск, 1982. - 28 с. - Деп. в ВИНИТИ 21.10.82 - >¿5279-82 Деп.

31. Башкатов Н.В., Бебенипа Т.А., Ермаков Г.В. Применение теории термодинамического подобия к ностроеншо уравнения состояния перегретой жидкости// - 1982. - т.56,й8. - с.2071-2074.

32. Thorsiophynical propertied of auperheated liquid3 / V.P, Skripov, E.IJ.Sinitain, P.A.Pavlov, 0.V.Ernakov, G.li.l-'uratov, N.V.Bulanov, V.C.Baidakov // Proc. 8th Symp. Theraophy3. Prop., Gaitheroburg, bid, Juno 15-18, 1981, v.2. New York, 1982, p.328--333.

33. The equation of otate and heat capacity of lJtastable (superheated) liquids / G.V.Ermskov, E.N.Sinitain, V.P.Skripov

// Conference notebook of 8th Europ. Conf. on Theraiophye. Prop. -- 1982, Baden-Baden. - p.60-62.

34. Ермаков Г.В., Сорокин H.JI. Времена существования перегретой и переохлаэденной фаз в олове при переходе из нормального состояния в сверхпроводящие и обратно// ФТТ. - 1982. - т.24,12.-с.3563-3669.

35. Ермаков Г.В., Сорокин ПЛ. Средние времена жизни мета-стабилышх фаз в сверхпроводниках первого рода// <ЗЛМ. - 1982. -Т. 54, JSi. - с.263-267.

36. Ерлаков Г.В. Соотношени подобия вблизи спинодалн//ТВТ.-1983. - t.2I,J£5. - с.1018-1021. '

37. Сорокин Н.Л., Ерлаков Г.В. Экспериментальная установка и вопросы методики измерений среднего времени существования метастабпльных фаз в сверхпроводниках первого рода// Исследование электромагнитных процессов в устройствах со сплошными проводящими средами. - Свердловск: У1Щ АН СССР, 1983. - с.90-101.

38. Ермаков Г.В. Грашща устойчивости и уравнение состояния жидкости вблизи лишш насыщения//ЖФХ. - 1984. - т. 58,.'¿4. -

С.841-844.

39. Ермаков Г.В., Шарилова З.А. Способ расширеюя таблиц

р, у ,Т-дашшх для жидкости на область мстастабильких состояний// Отдел физико-технических проблем энергетики У1Щ АЛ СССР. -Свердловск, 1984. - 41 с. - Деп. в ВИШТП 26.12.84 - .'.">8371 - 84 Деп.

40. Ермаков Г,В., Федоров Л. 11. Инициировашю вскипания перегретой жидкости ульразвуком// ТВТ. - 1985. - т.23,Д5. - с.1092-1095.

41. Ермаков Г.В., Решетшшов A.B. Кинетика вскипания слабо перегретых жидкостей// ТВТ. - 1985. - т.23,^2. - с.405-407.

42. Ермаков Г.В., liàpimoBa З.А. Расчет р, U",T-данных перегретых жидкостей с помощью одпопараметрпческой теории термодинамического подобия// КФХ, - 1985. - т.54,^4. - с.842-844.

43. Семенова U.M., Федоров А.П., Ермаков Г.В. Экспериментальная установка для изучения кинетики зародкшообразовапия в перегретом жидком гелии-4// Термодинамические свойства мстастабиль-ных систем и кинетика фазовых превращений. - Свердловск: УНЦ All СССР, 1985. - с.21-26.

44. Thermodynamicв of netaatable (superheated) liquid /

/ G.V.Ernmkov, P.A.Pavlov, E.H.Sir.itain, V.P.Skripov // High Tera-peratureo - High Proooureo. - 1985. - Vol.17. - p.285-290.

45. Семенова U.M., Ермаков Г.В. Экспериментальное изучение среднего времени жизни гелия-4 в сильно перегретом состоянии// ТВТ. - 1986. .- т,24,155. - c.870-tf/4.

46. Семенова U.M., Ермаков Г.В. Граница устойчивости и поверхностное натяжение жидкого гелия-4// ТВТ. - 198G. - т.24,Ж>. -с.1225-1227.

47. Ермаков Г,В., Смоляк Б.М. Гетерогенное вскипание жидкости вблизи границы достижимого перегрева// ДАН'СССР. - 1986. -

т. 280,1*5. - C.II59-II62.

48. Ермаков Г.В., Нострехин Е.В. Устойчивость метастабиль-пых фаз и кинетика проникновения магнитного поля в сверхпроводниковый экран// Электромагнитные процессы в устройствах со сплошными проводящими средами. - Свердловск: УНЦ All СССР, 1986. -

с.I06-I09,

49. Ермаков Г.В., Сорокин Н.Л. Особенности распада метаста-бильных фаз в сиотеме нормальный металл - сверхпроводник первого рода// Отдел физико-технических проблем энергетики УЩ АН СССР. - Свердловск: 1967. - 35 с. - Деп. в ШШТИ 21.05.87 -

К 3636 - В87,

50. Башкатов Н.В., Ермаков Г.В, Экспериментальное изучение' р,1Г,Т-дшшых жидкой двуокиси углерода в метастабильной области// ТВТ. - 1967. - 1.25,fil. - с.'178-160,