Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 9
1.1 Конвективно-диффузионные процессы 9
1.2 Физические условия возникновения конвекции 11
1.3 Теория теплового излучения 19
1.4 Термо-гравитационная и термо-капиллярная конвекция Марангони 24
1.5 Деформация слоя жидкости термо-капиллярным и концентрационно-капиллярным течением 35
1.6 Ячеистые макроструктуры, возникающие при конвекции воды 37
1.7 Особенности биологических эффектов электромагнитных излучений миллиметрового диапазона длин волн 43
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 45
2.1 Регистрация инфракрасного излучения в поверхностных слоях тонких растворов 45
2.2 Методы создания температурных градиентов с использованием электромагнитных излучений мм-диапазона длин волн 49
ГЛАВА 3. Результаты и обсуждение 52
3.1 Исследование свойств воды в области контакта с гидрофильной поверхностью полимера Nafion-117 52
3.2 Особенности формирования термокластеров в зависимости от состава растворов и времени после их приготовления 58
3.3 Динамика распространения конвективно-диффузионного фронта 70
3.4 Роль конвективных процессов в механизмах биологических эффектов миллиметровых излучений нетепловых интенсивностей 79
Выводы 90
Список работ, опубликованных по теме диссертации 92
Список литературы 94
- Физические условия возникновения конвекции
- Деформация слоя жидкости термо-капиллярным и концентрационно-капиллярным течением
- Методы создания температурных градиентов с использованием электромагнитных излучений мм-диапазона длин волн
- Особенности формирования термокластеров в зависимости от состава растворов и времени после их приготовления
Введение к работе
Актуальность проблемы. Работа посвящена исследованию процессов формирования макроскопических, пространственно-упорядоченных температурных неоднородностей (термокластеров), спонтанно возникающих в пограничных слоях водных растворов. Основная проблема, определяющая важность данных исследований, состоит в том, что при проведении многих биофизических экспериментов и интерпретации их результатов, вода и водные растворы считаются макроскопически однородными, гомогенными системами. В последние годы была продемонстрирована возможность формирования макроскопических термоструктур в поверхностных слоях воды, что в корне меняет представления о пространственной независимости физико-химических процессов в жидких средах [34].
Достаточно подробно исследованы диссипативные структуры в жидких средах, обусловленные искусственно созданным вертикальным градиентом температуры (ячейки Бенара) [78], а так же - термоструктуры, которые формируются в поверхностных слоях воды за счет температурных градиентов при испарении жидкости с поверхности [34].
Однако процессы формирования термокластеров в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов на сегодняшний день практически не изучены и механизм их формирования не ясен.
Сложность данной проблемы связана с тем, что при наличии температурных градиентов, обусловленных испарением, в водно-спиртовых растворах одновременно возникают концентрационные градиенты. Этанол по отношению к воде является поверхностно-активным веществом (ПАВ), поэтому при его контакте с водой могут возникать локальные изменения поверхностного натяжения, при этом адсорбированному на поверхности воды ПАВ достаточно создать тонкую пленку толщиной всего в одну молекулу (так называемый гиббсовский монослой). Процесс распространения этанола по поверхности воды приводит к возникновению дополнительных горизонтальных температурных градиентов, обусловленных экзотермическим процессом при растворении этанола в воде. При таких условиях конвективные и диффузионные процессы неразрывно связаны друг с другом, поэтому они рассматриваются как конвективно-диффузионные.
Конвективные и диффузионные процессы играют важную роль в функционировании живых систем и могут оказывать существенное влияние на результаты биофизических экспериментов, которые проводятся в водных растворах в условиях in-vitro при возможности испарения с поверхностного слоя (в чашках Петри или на предметном стекле под микроскопом).
Механизмы формирования термокластеров в пограничных слоях водных растворов важны для понимания процессов зарождения предшественников живых клеток на границе океан-атмосфера. Современная гипотеза Твердислова В.А. и Яковенко Л.В. основана на том, что при испарении воды в поверхностном слое возникает температурный градиент - «холодная пленка», в которой формируются диссипативные структуры, обусловленные взаимодействием конвективных и термодиффузионных потоков, приводящих к фракционированию ионов [55, 56].
Самопроизвольное перемещение термокластеров в какой-то степени эквивалентно процессу перемешивания в очень тонком поверхностном слое, что имеет важное значение для биотехнологии.
Параметры конвективно-диффузионных процессов в поверхностных слоях многокомпонентных водных растворов важны для разработки новых методов очистки водных поверхностей от органических загрязняющих веществ, что имеет важное экологическое значение.
Конвективно-диффузионные процессы играют важную роль в механизмах биологических эффектов электромагнитных излучений, в особенности -миллиметрового диапазона длин волн, поскольку излучения этого диапазона достаточно быстро поглощаются в биологических тканях, что приводит к возникновению резких температурных градиентов [12, 20, 22-24]. Важно отметить, что вода является основной мишенью, определяющей поглощение энергии излучений, причем, согласно многочисленным литературным данным, поглощение «связанной» воды, то есть воды в области контакта с гидрофильными или гидрофобными поверхностями, существенно отличается от поглощения «свободной» воды [7-11, 49, 81, 85-87, 95-96].
Свойства воды в области контакта с различными компонентами биологических тканей (так называемого «пограничного слоя воды») гораздо менее изучены по сравнению со свойствами объемной воды. Согласно классическим представлениям, влияние поверхности распространяется на несколько молекулярных слоев воды в области контакта. В коллоидных системах эффекты отталкивания, обусловленные размерами частиц раствора, могут простираться и на несколько диаметров частиц.
В последние годы в литературе появились сообщения об эффектах дальнего действия [112]. В качестве экспериментального доказательства Дж. Поллак приводит эффект вытеснения микросфер из области контакта воды с гидрофильными поверхностями. Аналогичный эффект наблюдается вблизи открытых поверхностей воды и водных растворов. Характерный размер пограничного слоя, свободного от растворенных микросфер, может достигать десятых долей миллиметра. Такие зоны получили название «зон исключения» (от английского термина "exclusion zone"). В рамках современной теории такие эффекты являются аномальными, и механизм формирования таких зон до настоящего времени остается дискуссионным.
Данный эффект может быть обусловлен как процессом отталкивания микросфер за счет заряда на контактных поверхностях, так и возможно специфическими свойствами воды в зоне исключения. В последнем случае такие эффекты могут оказывать влияние на процессы вблизи биологических мембран и на процессы формирования термокластеров в пограничных слоях водных растворов. Экспериментальная проверка гипотезы об «особых» свойствах воды в зоне исключения микрочастиц возможна с применением методов, не требующих присутствия микрочастиц в зоне контакта воды с гидрофильной поверхностью, что является одной из задач данной работы.
Среди перечисленных процессов, влияющих на формирование термокластеров, наибольшая сложность связана с экспериментальным изучением в наземных условиях капиллярной конвекции Марангони, причем вода считается самой непригодной для таких исследований жидкостью.
Последние работы в этой области, проведенные А.Л.Зуевым с использованием интерференционного метода, относятся к исследованиям термокапиллярных и концентрационно-капиллярных конвективных течений Марангони, возникающих в жидких средах вблизи поверхности раздела фаз [26, 27]. Примененный метод, позволяющий регистрировать разность концентраций в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов за счет разности коэффициента преломления, весьма трудоемок, имеет ряд существенных ограничений по скорости и не позволяет регистрировать распространение теплового фронта.
Процесс нагрева существенно осложняет исследования концентрационно-капиллярной конвекции Марангони в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов при использовании стандартных методов регистрации. Метод инфракрасной термографии открывает возможность визуализации теплового фронта, который формируется за счет экзотермической реакции при контакте этанола с водой в процессе концентрационно-капиллярных конвективных течений по поверхности воды, включая возможность количественных температурных измерений при высокой скорости регистрации.
Цель работы: Экспериментальное исследование конвективно-диффузионных процессов, связанных с формированием термокластеров в пограничных слоях воды и водных растворов, с использованием метода прецизионной инфракрасной (ИК) термографии.
Задачи исследования:
Разработка метода термографической визуализации концентрационно-капиллярных конвективных течений на поверхности жидких сред;
Исследование особенностей ИК излучения с открытых поверхностей водно-спиртовых растворов и пограничного слоя воды в области контакта с гидрофильной поверхностью полимера Нафион-117;
Исследование динамики формирования макроскопических температурных неоднородностей в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов;
Исследование роли капиллярной конвекции и экзотермических диффузионных процессов в механизмах формирования термокластеров;
Исследование роли микро-конвективных процессов в механизмах биологических эффектов электромагнитных излучений нетепловых интенсивностей.
Научная новизна.
Доказана возможность использования метода ИК термографии для визуализации распространения теплового фронта, обусловленного концентрационно-капиллярными конвективными течениями Марангони и экзотермической реакцией, развивающейся при диффузии этанола в поверхностный слой воды. Метод открывает новые возможности исследования концентрационно-капиллярной конвекции Марангони в земных условиях.
Выявлены существенные различия процессов формирования и эволюции термокластеров в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов по сравнению с термоструктурами на открытых поверхностях воды. Обнаружена возможность развития теплового фронта и возникновения микро-вихрей при контакте паров этанола с поверхностью воды.
Обнаружен эффект торможения и взаимного отталкивания встречных температурных фронтов в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов.
Практическая значимость работы.
Полученные результаты имеют важное научно-методическое значение для планирования и интерпретации результатов биофизических экспериментов, которые проводятся в водных растворах с открытыми поверхностями. Термокластеры трансформируют поверхностный слой водных растворов в неоднородную систему, в то время как сами растворы рассматриваются как однородные жидкости. При проведении биологических исследований необходимо учитывать, что в области термокластеров формируются значительные градиенты температур, неоднородности поверхностного натяжения, направления и скоростей конвективных потоков. Перемещение термокластеров эквивалентно процессу конвективного перемешивания в очень тонком поверхностном слое, что может найти применение в биотехнологии. Полученные результаты могут найти применение при разработке искусственных кровезаменителей и новых методов очистки водных поверхностей от органических загрязнителей.
Физические условия возникновения конвекции
Рассмотрим движение идеальной жидкости. Выделим внутри неё некоторый объём V. Согласно второму закону Ньютона, ускорение центра масс этого объёма пропорционально полной силе, действующей на него. В случае идеальной жидкости эта сила сводится к давлению окружающей объём жидкости и, возможно, воздействию внешних силовых полей. Предположим, что это поле представляет собой силы инерции или гравитации, так что эта сила пропорциональна напряжённости поля и массе элемента объёма. Тогда - где S — поверхность выделенного объёма, g — напряжённость поля. Переходя, согласно формуле Гаусса — Остроградского, от поверхностного интеграла к объёмному и учитывая, что dm = pdV, где р — плотность жидкости в данной точке, получим: В силу произвольности объёма V подынтегральные функции должны быть равны в любой точке: Выражая конвективную производную через частные производные: dv dv dt dt + Где p(x, y, z, t) — плотность жидкости, p(x, у, z, t) — давление в жидкости, v(x,y,z,t)— вектор скорости жидкости, g(x,y,z,t)— вектор напряжённости силового поля, V— оператор набла для трёхмерного пространства. Для покоящейся жидкости, находящейся в однородном поле тяжести, уравнение Эйлера (11) принимает вид: Это уравнение описывает механическое равновесие жидкости. В случае если жидкость находится в механическом равновесии в поле- тяжести, то давление в ней может быть функцией только от высоты z (если бы на данной высоте давление было различно в различных местах, то возникло бы движение). Таким образом, из уравнения (12) следует что плотность тоже является функцией только от z. Но давление и плотность однозначно определяют температуру в данной точке, следовательно, и температура должна быть функцией только от z. Таким образом, при механическом равновесии в поле тяжести распределение давления, плотности и температуры зависит от высоты. Если же температура различна в разных местах жидкости на одной и той же высоте, то механическое равновесие в ней невозможно [40]. Однако в жидкости может отсутствовать макроскопическое движение, не находясь при этом в тепловом равновесии. Уравнение (12), являющееся условием механического равновесия, может быть удовлетворено и при непостоянной температуре в жидкости. При этом, однако, возникает вопрос о том, будет ли такое равновесие устойчивым. Оказывается, что равновесие будет устойчивым лишь при выполнении условия отсутствия конвекции, или другими словами беспорядочных течений, стремящихся перемешать жидкость так, чтобы в ней установилась постоянная температура.
Из термодинамических расчетов, это условие сводится к простой формулировке: v\дТ)р Для воды при комнатной температуре (Т = 20 С), значение правой части уравнения (15) составляет 1 на 6,7 км. Конвекция наступает при нарушении этих условие, т.е. если температура падает по направлению снизу вверх, причем ее градиент превышает по абсолютной величине указанное в (15) значение. Наличие вертикального температурного градиента - необходимое, но не достаточное условие возникновения крупномасштабной конвекции. Важна так же величина этого градиента. Чтобы появилась подъемная сила Архимеда, и началось вертикальное движение в жидкости, необходимо чтобы температурные изменения на поверхности не успевали диссипировать за счет температуропроводности. Одни из наиболее известных структур такого рода являются ячейки Бенара (рис. 1). Равновесие в различных типах термодинамических систем В теоретической физике существует несколько видов равновесия и соответствующие типы термодинамических систем: открытые термодинамические системы, обменивающимся энергией со средой; закрытые термодинамические системы, не обменивающимся энергией со средой и другими системами; и адиабатные термодинамические системы, в которых отсутствует обмен теплотой с другими системами. Из всех типов термодинамических систем самоорганизация способна лишь в открытых системах. Под понятием термодинамического равновесия определяется такое состояние системы, в которое она самопроизвольно переходит в течение характерного времени ее развития в условиях изоляции от окружающей среды. В данном определении важным является условие, при котором равновесие устанавливается, и оно часто не учитывается, когда пытаются интерпретировать, особенно в философских обобщениях, современные физические явления с позиций теории структур, далеких от равновесия. Распространенный пример процесса самоорганизации - формирования порядка в хаосе - эффект появления конвективных ячеек в подогреваемой жидкости, названный по имени автора, давшего физическое описание этого процесса, ячейками Бенара (рис. 1). В данном явлении наблюдаются два принципиально различающихся состояния: первое, состояние хаоса, когда температура жидкости в сосуде имеет температуру окружающей среды, т.е. находится в равновесии со средой. При этом движение частиц в жидкости хаотично, все частицы движутся независимо друг от друга и отсутствуют кооперативные их взаимодействия. Чтобы подчеркнуть, что данное состояние действительно является хаотическим,
И. Пригожий в своих рассуждениях приводит пример неопределенности пространственно-временного положения помещенного в этот слой жидкости некоего «миниатюрного наблюдателя, которому однородность жидкости не позволяет выработать собственное представление о пространстве. Устойчивость равновесного состояния делает, в конечном счете, тождественными так же и все моменты времени» [51]. Второе состояние, когда равновесие указанной системы постепенно нарушается, к примеру, за счет нагревания нижнего слоя жидкости, то, по достижении некоторого фиксированного предела, возникнет коллективизация частиц и установится согласованность в их движении. Жидкость структурируется в виде ячеек Бенара, характеризующих режим тепловой конвекции. При этом направление вращения токов жидкости в ячейках, имеет случайный характер: в одном эксперименте они вращаются по часовой стрелке, в другом - в обратном направлении. [52] Согласно второму началу термодинамики, все процессы природы самопроизвольно развиваются в направлении диссипации энергии и роста энтропии. Данная закономерность является объективной и всеобщей. Однако если не оговаривать условия, то можно прийти к неразрешимому, на первый взгляд, противоречию - почему наряду с процессами диссипации энергии и
Деформация слоя жидкости термо-капиллярным и концентрационно-капиллярным течением
К настоящему времени достаточно подробно изучено возникновение термокапиллярных течений в тонких горизонтальных слоях жидкости со свободной верхней границей и продольным градиентом температуры. Полученные аналитические решения (например, [40, 53, 90, 102]) говорят о том, что условие постоянства давления на свободной поверхности такого слоя не может быть выполнено без изменения его толщины. При возникновении термокапиллярной конвекции происходит изменение нормальных напряжений, поэтому равновесная форма поверхности искривляется. В [53] получено уравнение свободной поверхности в приближении, аналогичном приближению пограничного слоя. Показано, что по мере уменьшения толщины слоя деформация поверхности существенно возрастает и становится сравнимой с ней по величине. Это подтверждается результатами экспериментального изучения термокапиллярной деформации жидкого слоя, расположенного на твердой смачиваемой подложке прямоугольного сечения с линейным распределением температуры. Заметная деформация наблюдалась только в слоях жидкости толщиной менее 1 мм. При достаточно больших фадиентах температуры деформация достигала дна кюветы. Условия разрыва слоя термокапиллярным течением экспериментально исследовались в [26]. Минимальный перепад температуры, необходимый для разрыва слоя, оказался прямо пропорциональным квадрату толщины слоя, что хорошо согласуется с расчетами [53] для случая, когда пространственный период модуляции температуры велик по сравнению с капиллярной постоянной. Например, для слоя п-декана толщиной 0,5 мм этот критический перепад температуры ДТ между нафетым и охлажденным краями слоя составлял 20 С, для слоя толщиной 0,7 мм - уже 40С. В работе [13] была экспериментально исследована аналогичная осесимметричная задача следующим образом. Слой жидкости толщиной до 2 мм был помещен в кювету цилиндрической формы (0 90 мм), подофеваемую в центре и охлаждаемую по периферии.
В слое возникало стационарное радиальное течение жидкости, направленное вдоль поверхности в сторону увеличения поверхностного натяжения, т.е. к краям кюветы в более холодную область, с возвратным течением к центру вдоль дна кюветы. Опыты проводились с несколькими органическими жидкостями различной вязкости (п-декан, n-гептан, этанол). Во всех случаях развитие течения вызывало локальную деформацию поверхности слоя, когда его толщина над нафевателем существенно уменьшалась. Величина деформации возрастала с уменьшением первоначальной толщины слоя и с увеличением перепада температуры между центром кюветы и холодными участками поверхности на периферии. При достижении AT над нагревателем формировалась сухая зона, радиус которой также увеличивался по мере роста перепада температуры. Жидкость расступалась, обнажая часть дна юоветы, причем динамический краевой угол был отличен от нуля даже для хорошо смачивающих жидкостей. Максимальная толщина слоя, при которой еще возникал разрыв, оказалась примерно в 1,5 раза больше по сравнению со случаем прямоугольного слоя. Для оценки влияния того или иного параметра на структуры в воде, как и в других жидкостях, обычно используют совокупность безразмерных показателей (числа Рэлея, Прандтля, Марангони и др.). Напомним, что число Рэлея (Ra) определяет конвекционную неустойчивость, вызываемую изменением плотности жидкости по глубине при изменении температуры. Величина этого числа зависит от внешних условий (интенсивности нагрева) и пропорциональна разности температур AT между слоями жидкости. Число Прандтля (Рг) — это отношение кинематической вязкости (v) жидкости к ее температуропроводности (х). Физический смысл числа
Прандтля можно пояснить следующим примером. Период колеблющегося поверхностного слоя жидкости по порядку величины совпадает со временем диффузии тепла h2/ х гДе h — вертикальный размер, т.е. толщина слоя жидкости. Одновременно имеет место и низкочастотная конвекционная неустойчивость, приводящая к перестройке структуры в целом, с периодом h2l v. Для жидкостей с разной температуропроводностью и вязкостью эти величины будут различаться. Например, вязкость воды на несколько порядков меньше, чем масел (кинематическая вязкость воды vb= 1 см2 с"1, а например, силиконового масла v = 9000 см с"), поэтому запуск низкочастотных конвекционных процессов в воде требует меньших температурных перепадов от слоя к слою, чем в масле. Кроме того, вязкость масел сильно зависит от температуры. Напомним, что для воды число Прандтля изменяется в диапазоне температур от 0 до 100С приблизительно в 8 раз (Рг = 13,5 при Т = 0С, при Т = 100С Рг = 1,75), а например, в трансформаторном масле в этом же диапазоне температур Рг изменяется от 43,9 до 866, т.е. почти в 20 раз. Для жидких металлов Рг«1, причем его зависимость от температуры слабая (например, для щелочного металла натрия при изменении температуры от 100 С до 700 С число Рг изменяется от 0,0115 до 0,0039, т.е. всего в 3 раза). Таким образом, число Прандтля характеризует параметры самой жидкости. [33] Если число Прандтля не слишком мало, то при переходе через порог устойчивости в жидкости возникает тепловая конвекция в виде стационарного течения. Если число Рэлея превышает критическое, то могут появиться две или более продольные и поперечные моды. Первые соответствуют конвекции вдоль оси сосуда, вторые — поперечным колебанием на поверхности в плоскости перпендикулярной оси.
В результате на поверхности воды появляется изрезанная структура [14, 19]. На рис. 4 показана диаграмма режимов конвекции как функция чисел Рэлея и Прандтля, в которой суммированы экспериментальные данные ряда авторов [20, 23]. По осям отложены числа Рэлея Ra = p0agVATl{p vx) и Прандтля Рг = vlx , где р0 - начальная плотность воды (при температуре Ті), рх - ее конечная плотность, при температуре Т2; а — изобарический коэффициент теплового расширения, g — ускорение свободного падения тела, AT = Т2-Ть V - выделенный единичный объем жидкости, X- коэффициент - температуропроводности х = рср/Я, р — коэффициент динамической вязкости, ср — удельная теплоемкость среды при постоянном давлении, Я — коэффициент теплопроводности, v — кинематический коэффициент вязкости, v-plр. Ниже линии I (Ra = Rac) располагается область устойчивого состояния жидкости, а выше — область стационарной валиковой конвекции. Кривая II — это порог, выше которого поперечно
Методы создания температурных градиентов с использованием электромагнитных излучений мм-диапазона длин волн
Для исследования роли температурных градиентов в развитии конвективно-диффузионных процессов в пограничных слоях жидких сред был применен метод, позволяющий создавать необходимые температурные градиенты с помощью электромагнитных излучений (ЭМИ) миллиметрового диапазона длин волн. Нагрев биологических тканей за счет поглощения энергии излучений является одним из основных механизмов биологических эффектов ЭМИ. При действии ЭМИ миллиметрового диапазона в облучаемых объектах возникают резкие температурные градиенты из-за быстрого затухания энергии таких излучений в биологических тканях. Важно при этом учитывать, что вода является основной мишенью, определяющей поглощение ЭМИ [96-97]. Применение ЭМИ миллиметрового диапазона позволяло решать ряд принципиально важных методических задач: 1) варьируя частотой и мощностью излучения создавать необходимые температурные градиенты в пограничных слоях жидких сред (при этом поглощение энергии ЭМИ по глубине dT/dz определялось частотой ЭМИ, а скорость роста температуры dT/dt и конечная величина температурного градиента Л Г определялась мощностью излучения); 2) с учетом имеющихся в литературе данных о различиях в параметрах поглощения энергии миллиметровых излучений в пограничных слоях воды по сравнению поглощением объемной воды [7], мы имели возможность исследовать параметры пограничных слоев воды по скорости нагрева, обусловленного поглощением энергии миллиметровых излучений; 3) при облучении сверху можно было скомпенсировать температурные градиенты, обусловленные испарением, а при облучении снизу - создавать необходимые температурные градиенты в заранее заданной области исследуемого образца. В последнем случае, имелась возможность создания температурных градиентов в поверхностном слое при исіслючении процесса испарения с поверхностного слоя. Кроме того, примененная методика позволяла оценить роль конвективно-диффузионных процессов в пограничных слоях жидких сред в механизмах биологических эффектов миллиметровых излучений нетепловых уровней. Источником миллиметровых излучений служили генераторы типа Г4-141 и Г4-142 на диапазон частот 37-53 ГГц с выходной мощностью до 50 мВт. Облучение исследуемых образцов проводилось из раскрыва волновода.
Нагрев исследуемых образцов регистрировался методом ИК термографии. Используемый в экспериментах термографический метод регистрации температуры по собственному излучению объектов обеспечивал полное отсутствие каких-либо артефактов измерений, которые обычно возникают за счет присутствия измерительных датчиков в области облучения. Нагрев биологических тканей за счет поглощения энергии излучений является одним из основных механизмов биологических эффектов ЭМИ. При действии ЭМИ миллиметрового диапазона в облучаемых объектах возникают резкие температурные градиенты из-за быстрого затухания энергии КВЧ-излучений в биологических тканях. Важно при этом учитывать, что вода является основной мишенью, определяющей поглощение ЭМИ [7]. Действующие на биологические объекты ЭМИ характеризуются величиной удельной поглощенной мощности (УПМ), с единицей измерения Вт/кг (в зарубежной литературе используется термин SAR - specific absorption rate), которая определяется как: SAR = Cp dT/dt, где: Ср -удельная теплоемкость, dT/dt - начальная скорость роста температуры [79, 96-97]. Соответственно, для характеризации действующих на биологические объекты факторов миллиметровых излучений необходимо знать пространственное распределение поглощения энергии излучений в биологических объектах, то есть - распределение значений начальных скоростей нагрева различных участков биологических тканей. С учетом гетерогенности биологических объектов, расчет распределения SAR из плотности потока мощности ЭМИ становится чрезвычайно сложной задачей, а при облучении биологических объектов в ближней зоне рупорных антенн-излучателей миллиметрового диапазона данная задача становится практически невыполнимой [96]. Регистрация пространственного распределения нагрева биологических тканей (в особенности - тонких поверхностных слоев толщиной в десятые доли миллиметра) является очень сложной методической задачей. Использование термисторов для измерения начальной скорости роста температуры непосредственно во время облучения биологических объектов весьма проблематично из-за искажений распределения полей за счет присутствия термисторов в области облучения и их инерционности.
Термографический метод регистрации температурных распределений по собственному излучению биологических объектов в инфракрасном диапазоне длин волн является идеальным способом решений данной задачи при выполнении ряда важных условий: ИК термовизионные системы должны обеспечивать возможность количественных температурных измерений (а не только возможность «увидеть» качественную картину разогрева), иметь достаточную скорость регистрации термоизображений ( 200 кадров/сек) при высокой чувствительности и необходимом пространственном разрешении. Таким требованиям отвечают современные матричные охлаждаемые инфракрасные (ИК) системы с КРТ фотоприемниками или фотоприемниками на основе антимонида индия [28].
Особенности формирования термокластеров в зависимости от состава растворов и времени после их приготовления
Термокластеры, формирующиеся в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов, существенно отличаются от ячеек Бенара и термоструктур в поверхностных слоях воды. Наряду с испарением, в водно-спиртовых растворах существенную роль играют экзотермические процессы при растворении спирта в воде, а также -при диффузии спирта из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. В результате формируются термоструктуры, характеризующиеся гораздо более сложными топологическими и более быстрыми динамическими параметрами по сравнению с термоструктурами в чистой воде. В таблице 1 приведены основные физические параметры воды, спирта, глицерина, и зависимость поверхностного натяжения раствора вода-спирт от концентрации этанола в воде. Прежде всего, существенные отличия наблюдаются в процессе эволюции термоструктур после приготовления водно-спиртового раствора. Процесс эволюции структур может быть разделен на несколько этапов: В первые 1-2 минуты после приготовления раствора температурные неоднородности наблюдаются на всей поверхности раствора (рис.3, А). Неравномерность температуры по поверхности раствора может достигать 0,8-1,0 С, и этот этап может быть охарактеризован как переходной процесс, обусловленный выравниванием концентрации этанола во всем объеме раствора (рис.10, А).
На втором этапе наблюдается формирование областей (термокластеров), параметры ячеек в которых характерны для первого этапа, наряду с областями, термоструктура в которых характерна для дистиллированной воды (рис. 10, Б). Со временем размеры термокластеров постепенно уменьшаются, и через 5-Ю минут после приготовления раствора наблюдаются отдельные, спонтанно-возникающие термокластеры размером от нескольких миллиметров до 1-2 см, с повышенными на 0,3-0,5С значениями температуры внутри термокластеров. Внутренняя область термокластеров так же имеет свою тепловую структуру. Таким образом, на третьем этапе наблюдаются спонтанно-возникающие и сравнительно небольшие по размеру термокластеры с большими (0,3-0,5 С) различиями температуры внутри и вне термокластеров, а внутренняя область таких термокластеров имеет собственную, более сложную термоструктуру (рис. 10,В). Такие термокластеры могут перемещаться по поверхности раствора с сохранением их внутренней термоструктуры. Характерные времена жизни отдельных термокластеров существенно меньше по сравнению с термоструктурами, которые формируются в дистиллированной воде. Спонтанно-возникающие термокластеры могут наблюдаться на протяжении десятков часов при открытой поверхности раствора. Параметры переходного процесса между вторым и третьим этапом эволюции термокластеров в 10% водно-спиртовой растворе демонстрирует рис.11 и рис.12. Label МпСС) Мах («С) Mean (С) Std-De... Ems».. 24.84 25.01 24.95 0.04 1.00 Л С Важно отметить, что при столкновении термокластеров не наблюдается ни их взаимное уничтожение (характерное для автоволновых диссипативных структур), ни их взаимное слияние (характерное для диффузионных процессов). При добавлении NaCl в водно-спиртовой раствор наблюдается существенное увеличение разницы температур между термокластерами и окружающим раствором наряду с изменением размеров и внутренней термоструктуры кластеров (рис.13).
Среднее время жизни термокластеров составляет 5 сек, а скорость перемещения варьирует от 0,5 до 1 см/сек. Наиболее сложные структуры наблюдались в 3-х компонентном водном растворе, в состав которого кроме спирта (10%) входил глицерин (2%). Процесс формирования термоструктур в 3-х компонентных водно-спиртовых растворах, в состав которых кроме этанола входил глицерин, существенно отличался от эволюции термоструктур в 3-х компонентных растворах. Необходимо отметить, что растворение глицерина в воде также сопровождается выделением тепла, а вязкость глицерина существенно больше вязкости спирта.
