Введение к работе
Актуальность проблем ы. В общем случае в.н'д'ачв о переходе ьоцвства из одного состояния в другое пока не моясат бнть рвшона теоретически. Очень простые модели (например, модель идеального газа) вообще, но приводят к появлению фазового парэхода, а слоїише - часто встречают трудноразрешимо математические проблема.
Перспективным и активно испольэуерлш подходом в теории оказалось сведение задачі! многих тел к задаче одного тела, которое находится в усредненном (самосогласованном.) поле, образованном его окружением. Крупным шагом в развитии теории самосогласованного поля Знлс введение радиуса действия сил взаимодействия. Это позволило развить теорию масштабных преобразований. Теория не учитывает даталзЯ взаимодействия между частицами, поэтому но может предсказать, например, темперзтуру фазового перехода, но устанавдиваэт важше качэствешше связи параметров исследуемих систем.
Частним случаен фазовых переходов яелявтся фазовие перехода, первого рода. Для этих переходов типична мзтестабилъныэ состояния вещества. Причина устойчивости мэтастабильных состоянии, как впврвшэ показал Гиббс, связана с необходимостью совершения работы .для создания меікфозной границы раздела. Поверхностная энергия особо существенна для частиц малых размеров, когда она (энергия) соизмерима с объемной. Гиббсу принадлеотт понятие "критический зародыш", т.е. частини новой фазы такого размера, для которого работа образования новой фазы максимальна. Введешше Гиббсом понятия являются основополагающим! для развития представлений о термоконденсационных аэрозолях.
"Наука об аэрозолях, являясь разделом коллоидной химші, граничит с физической химией, и с метеорологией, и с сельскохозяйственными и военными дисциплинами, и с медициной. Для ее успешного развития создаются тончейонэ математические методы
исследования, разрабатываются сложнейшие приборы, способные изучать аарозоли на других планетах. От успешного развития учеїшя об аэрозолях зависит решение множества проблем, даже таких, которые определяют возможность дальнейшего существования человека на Земле, а может бить, и даже самой кизші на нашей планете." И} Например, теория образования аэрозолей из шресшцегаюго пара охвативает столь широкий круг явлений, что они (явления) часто определяют комфортность и даже длительность самой жизни человека. Развитие теории нуклеации в значительной мере определяется надежность» экспериментальных результатов в этой области, поэтому развитие методов получения и само получение достоверной информации об аэрозолях с очевидностью является ' актуальной задачей.
Целью работы стало создание экспериментального метода, позволяющего проводить сравнительно просто и бистро исследования объемной нуклеации пересыщенного пара в широком диапазоне температур и скоростей нуклеации при различных давлениях парогазовой среда, и обоснование применения этого метода для определения параметров критических зародышей новой фазы.
Это потребовало решения следухадих задач:
создания, обоснования и реализации новой экспериментальной схемы, основанной на использовании ламинарного осесимметричного парогазового патока, объединяющей достоинства существовавших к.началу данной работы методов эксперимента;
теоретического обоснования и реализации в эксперименте методик по определению параметров критических зародышей новой фазн. из. експериментально определенных зависимостей скорости нуклеации пересыщенного пара; ,
проведения большого объема экспериментальных измерений с полным циклом компьютерной обработки и анализа , полученных результатов. ' . .
Научная нов и з н а. - Развито новое научное направление: экспериментальное
исследование гетеромолекулярной и гетерогеїшой нуклеации в ламинарном парогазовом.потоке.
Создан новый метод исследования объемной гетеромолэкуля-рной и гвтерогеїшой нуклеации, основанный на использовании ламинарного осэсимметричного парогазового потока. Метод позволяет на основа эксперимента получагь зависимости скорости образования аэрозольных частиц в пересыщенном паре от условий нуклеации.
Теоретически обоснованы и созданы методики определешя (по экспериментальным результатам для скорости нуклеации): числа молекул и состава критических зародышей (для гетеромолекулярной и гетерогенной нуклеации); термодинамических параметров (энтропии, энтальпии образования) критических зародышей; вклада межфазной границы в потенциал Гиббса критических, зародышей.
В работе получено 203 экспериментальных зависимости для скорости нуклеации. Измерены скорости гетеромолекулярной и гетерогенной нуклеации для шести веществ в широком Интерполе температур, конденсаций и пересыщений в аргоне при атмосферном давлении. Изотермические зависимости скорости нуклеации дибутилфталата и глицєріна измерены в интервале давлении Є0-2Б0 кГа в среде, пяти различных газов при', различных температурах нуклеации. Впервые в мире количественно ' измерены скорости нуклеации для двухкомпонентного пара в атмосфере газа-носителя на
.примере системы дибутилфтал-іт— глицерин - аргон.
На основе экспериментальных результатов для скорости нуклеации вичислена: количество молекул компонентов, входящих в критические зародыши (полный состав определялся не для всех зародше'й); энтропия ' образования зародышей глицерина и дабутилфталата; зависимости поверхностной энергии от размера звродашей в капельном приближении и произведено сравнение со значаниямй, полученными из опыта. Обнаружено, что при уменьшении числа молекул в ассоциате, экспериментальная зависимость поверхностной энергии спадает медленнее, чем это следует из капельной модели .
Экспериментально обнаружено влияние фазового перехода в критических зародыащх ка скорость . нуклеации, поверхностную
енергию и число молекул в критических зародышах. Получена немонотонная зависимость этих величин от температуры нуклеации.
Экспериментально обнаружены колебания скорости нуклеации. Результати позволяют поставить под сомнение "диффузионный" механизм колебании скорости нуклеации, наблюдавшихся в диффузионных камерах другими авторами.
Построена диаграмма метастабилышх состояний вещества с простейшей РЕ- диаграммой, имеющей одну тройную точку. Диаграмма дает качественное представление о поверхности скоростей нуклеации от низких температур до температури критической точки.
Практическая ценность работы.
Создан новый метод исследования объемной нуклеации пара, позволяющий количественно определять важные для развития теории гетаромолекулярной и гетерогенной нуклеации параметры процесса нуклеации и параметри критических зародшей. Установлены важные для развития теории нуклэации явления, связанные с фазовым переходом в критическом зародыше новой фазы, возможным наличием второго канала нуклеации. Новые вопросы перед теорией ставят: топология поверхности скорости нуклеации на диаграмме метастабилышх состояний вещества; обнаруженное колебание скорости нуклеации недиффузионного типа; зависимость скорости нуклеации от пересыщения и состава пара, температуры нуклеации и общего давления в исследованных парогазовых системах.
Аппаратура, разработанная при проведении настоящего исследования, позволяет количественно изучать модельные смоговие явления термокондансационного характера, проводить натурные исследования гврмоконденсанионных смогов и контролировать аерозольную загрязненность атмосферы ігрошшленншс городов и рабочих мает на производстве. Опыт разработки счетчиков аэрозолей позволил создать анализаторы дисперсности гидрозолей. Макетные варианты анализаторов аэро- и, гидрозолей, техдокументация, а также результаты по нуклеации в модельных лабораторных системах ы натурных исследованиях используются в различных прикладных работах в ряде организаций, что подтверждено актами.
Защищаемые положения.
Метод исследования объзмпой гетеромолекулярной и гетврогэшюй нуклеации в ламинарном осеыммтричном потоке.
Теоретическое обоснование и мотолики опрвделотгйя параметров критических зародшвей на основе измерения скоростей нуклеации для: числа молекул -и состава критических зародышей; термодинамических парамятров критических зародышей; вклада межфазной границы в потенциал Гиббса критических зародышей.
Экспериментальные результаты по: скорости гетерогенной и гетеромолэкулярной нуклеации; параметрам критических зародышей; влиянию фазового перехода на скорость нуклеации, поверхностной энергии и составу кригпческих зародншей; колебанию скорости нуклеации недиффузионного типа.
PTJ - диаграмма метаствбильных состояний вещества с простейшей РТ- диаграммой, имеющей одну тройную точку .
Апробация работ ы. Основные результаты представлялись на X1I-XV Всесоюзных конференциях "Актуальные вопросы физики вэродисперсннх систем" (Одесса, 1976, 1979, 1985, 1989), VI Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов (Новосибирск, 1979), I? Всесоюзной конференции по аэрозолям (Ереван, 1982), XII Международной конференции по атмосферному аэрозоли и нуклеации (Вена, 1988), Европейских, аэрозольных конференциях (Австрия,Вена, 1989; Швейцария,Цюрих 1990), 64-симпозиуме по.науке 6 коллоидах и поверхности (США, Бетлехем, 1990), Третьей китайской аэрозольной конференции (Китай, Пекин, 1990), Третьей международной аэрозольной конференции (Япония, Киото, 1990)
Публ и к. а ц и и . Основные положения и вывода диссертационной работы . опубликованы в отечественных научных журналах : Коллоидный журнал; Известия СО АН СССР, Доклада АН СССР; материалах Всесоюзных конференции. Автор диссертации опубликовал 14 работ в международных.научных изданиях и. трудах 'международных конференций: Journal of Aerosol Science; Lecture Notes In Physics; Proceedings oi the 19S9, 1990 European Aerosol
Conference; Proceedings of the third Chinese Aeroaol Conference, Beijing (1990); Third International Aerosol Conference, Kyoto <1990). По томе диссертации опубликовано более ЗО печатных работ.
Личное участие автора. Все идеи по обоснованию метода исследования нуклеации в ламинарном осесимметричном парогазовом потоке и идеи развитых в работе методик принадлежат автору диссертации. Основные экспериментальные и теоретические результаты работы получены лично или под непосредственным руководством автора диссертации. Автору диссертации принадлежат, анализ и обобщение результатов, полученных в работе.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пятиглав, выводов, приложения и списка литературы. Она изложена на 280 страницах машинописного текста и содержит 89 рисунков. Список цитируемой литературы включает 260 наименований.