Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Фототермические эффекты (обзор литературы) 12
1.1 Основные фототермические эффекты и классификация основанных на них методов лазерной диагностики 14
1.2. Методы, используемые фототермической спектроскопии 20
1.3. Фототермическая калориметрия: контактная и радиометрия 24
1.4. Фотоакустический эффект 26
1.5. Фототермическая рефракция: термолинза, фототермическая деф лекция и мираж-эффект 29
1.6. Фототермическая дифракция 36
1.7. Фототермическая интерференция 37
1.8. Фототермическое поверхностное отклонение 39
1.9. Фототермокапиллярный эффект 39
Вывод 43
Глава II. Эволюция термокапиллярного отклика тонкого слоя органических жидкостей 44
2.1. Экспериментальная установка и методика эксперимента 44
2.2. Эволюция ТК отклика слоя жидкости на поглощающей подложке 47
2.3. Стационарный ТК отклик 55
2.4. Влияние паузы между экспериментами на время задержки 56
2.5. Зависимость времени задержки ТК отклика от толщины слоя жидкости ..57
2.6. Зависимость времени задержки ТК отклика от мощности пучка 60
2.7. Термокапиллярный отклик слоя 1,4-диоксана 63
2.8. Фототермическая установка для исследования ФТК эффекта 63
Выводы 67
Глава III. Эволюция термокапиллярного отклика тонкого слоя воды 68
3.1. Вода - аномальная жидкость 68
3.2. Особенности возникновения ТК конвекции в воде 70
3.3. Эффект задержки ТК отклика в различных пробах воды 72
3.4. Эволюция ТК отклика слоя воды 75
3.5. Зависимость времени задержки ТК отклика от мощности пучка 77
3.6. Влияние ПАВ на эффект задержки ТК отклика 78
3.7. Автоколебания ТК отклика слоя воды 85
Выводы 86
Глава IV. Экспериментальное определение параметров системы и теоретический расчет локального теплового возмущения запускающего термокапиллярную конвекцию 87
4.1. Коэффициент поглощения исследованных жидкостей 87
4.2. Измерение коэффициентов поглощения и отражения эбонита 89
4.3. Радиус лазерного пучка 90
4.4. Проверка метода калиброванных проволочек 92
4.5. Учет сил плавучести 92
4.6. Постановка задачи 95
4.7. Четыре модели распространения тепла в среде 96
4.8. Результат расчета теплового возмущения 99
Выводы 102
Приложение 103
Заключение 112
Список литературы 115
- Фототермическая рефракция: термолинза, фототермическая деф лекция и мираж-эффект
- Зависимость времени задержки ТК отклика от толщины слоя жидкости
- Эффект задержки ТК отклика в различных пробах воды
- Измерение коэффициентов поглощения и отражения эбонита
Введение к работе
Актуальность темы. Большое разнообразие фототермических (ФТ) методов физико-химического анализа веществ [1-27] связано с возрастающими потребностями химической, медицинской, пищевой и т.п. промышленности, где требуются точные и чувствительные методы анализа. Увеличивающееся число фототермических эффектов, на основе которых разрабатываются новые методы, привело к тому, что в 2004 г. Международный союз по теоретической и прикладной химии (IUPAC) подготовил рекомендации по терминологии, символам и т.п. в ФТ спектроскопии и связанных с ней областях [2]. В связи с тем, что традиционной областью применения ФТ методов является спектроскопия, фототермокапиллярный (ФТК) эффект [28], используемый для измерения свойств жидкостей [29-34] и их слоев [35-40], долгое время рассматривался отдельно, и не вошел в существующие классификации [1-3]. Однако, изменение поверхностного натяжения под действием фотоиндуцированного нагрева, и возникающая в результате этого термокапиллярная (ТК) конвекция, является, несомненно, ФТ эффектом, место которого показано в нашей классификации [40]. К тому же, недавно сделана оценка возможности применения ФТК эффекта в спектроскопии и показано, что он «идеально подходит для спектроскопии сильно поглощающих твердых поверхностей и жидких слоев» [41].
Несмотря на то, что за последние тридцать лет, с момента открытия ФТК конвекции [42], появилось множество публикаций по этому вопросу [28-91], ее эволюция в прозрачных жидкостях на поглощающей подложке практически не исследована. Кроме того, нам не удалось обнаружить ни одной публикации посвященной ФТК конвекции в слое чистой воды. Именно в воде, в конце 2001 г., автор обнаружил два новых эффекта - задержку и всплеск ФТК конвекции [51]. Детальное исследование этих стадий эволюции ФТК конвекции и возможность применения его результатов для лазерной диагностики жидкостей (ЛДЖ) делает данную работу перспективной.
В связи с этим была поставлена задача — подробно исследовать эволюцию термокапиллярного отклика, несущего в себе информацию о ФТК конвекции, особенно начальные ее стадии: задержку и всплеск, а также применить результаты этих исследований для создания методов ФТ диагностики жидкостей.
Излагаемый в работе материал разбит на четыре главы.
В первой главе дан подробный обзор всех известных и используемых в ЛДЖ фототермических методов. Предложена непротиворечивая и ясная классификация этих методов и ФТ эффектов, на которых они основаны. Четко показана общность и место ФТК эффекта и методов, основанных на нем, как перспективного ФТ инструмента для ЛДЖ.
Во второй главе подробно описана экспериментальная двухлучевая установка и методика эксперимента. Представлены результаты исследования эволюции ТК отклика в слоях органических веществ. Объяснены эффекты задержки и всплеска ТК отклика. Показана зависимость времени задержки ТК отклика от толщины слоя жидкости и мощности пучка лазера. Приведено описание компьютеризованной ФТ установки для исследования ФТК эффекта и рассмотрены характерные сигналы, получаемые с ее помощью.
В третьей главе обсуждаются особенности возникновения ТК конвекции в воде. Исследована зависимость времени задержки ТК отклика для различных проб воды, а также ее зависимость от мощности индуцирующего пучка лазера. На примере гексадеканола показана огромная чувствительность ФТК эффекта к микроконцентрациям ПАВ на поверхности воды, даже когда они создают поверхностное давление, необнаружимое стандартными методами. Предложено применение этого метода для контроля слоев Ленгмюра, например, при создании пленок Ленгмюра-Блоджетт.
В четвертой главе приведены результаты расчетов теплового возмущения, запускающего обнаружимую ФТК конвекцию. Необходимые для расчетов значения параметров системы пучок/слой/подложка измерены экспериментально.
Научная новизна:
Обнаружен и подробно исследован эффект задержки ТК отклика в зависимости от толщины слоя и мощности пучка для нескольких органических жидкостей и воды.
Кроме этого, обнаружено и дано объяснение еще двум капиллярным явлениям: всплеску и автоколебанию ТК отклика.
Впервые исследован ФТК эффект в воде. Показана зависимость эффекта задержки ТК отклика от наличия микропримесей в воде. Продемонстрирована возможность определения поверхностного давления ПАВ на поверхности воды вплоть до концентраций соответствующих идеальному двухмерному газу.
Практическая ценность. Разработанный метод контроля загрязнения воды поверхностно-активными примесями и созданная на его основе установка могут быть использованы в фармацевтической, химической, пищевой и других отраслях промышленности для контроля в реальном времени концентрации органических веществ в воде [52, 58, 60]. Этот метод можно также применять вместо весов Вильгельми в установке для изучения пленок Ленгмюра и получения пленок Ленгмюра-Блоджетт как более тонкий неинвазивный инструмент. К тому же, измерение времени задержки или параметров всплеска позволяют бесконтактно измерять такие величины как толщину слоя жидкости, ее вязкость и температуропроводность [51, 53-57, 59]. Разработана компьютеризованная ФТ установка для исследования ФТК эффекта, в частности эффекта задержки ТК отклика, которую можно использовать в научных исследованиях, промышленности, и учебном процессе.
Достоверность полученных результатов основана на тщательной разработке методик экспериментов и подтверждается их воспроизводимостью, и, в ряде случаев, независимыми данными, полученными другими способами.
На защиту выносятся: - результаты экспериментального исследования фототермокапиллярного эффекта в слое прозрачных органических жидкостей и воды, в частности эффектов задержки и всплеска ТК отклика. новый метод определения концентрации поверхностно-активных примесей в воде новые методы определения вязкости, температуропроводности жидкости и толщины ее слоя
Личный вклад автора является основным на всех этапах исследования и заключается в непосредственном выполнении всех экспериментальных и части теоретических исследований, анализе и обобщении результатов исследования, непосредственном участии в той части работ, которая выполнена в соавторстве.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований обсуждались на научных семинарах лаборатории «Жидкостные микрогравитационные технологии», на научно-методическом семинаре физического факультета и доложены на:
53-й студенческой научной конференции. Тюмень, апрель 2002; ІХ-ом межотраслевом научном и методическом семинаре «Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника». Тюмень, апрель 2002 [51];
16-ой Европейской конференции по химии межфазных поверхностей. Владимир, май 2003 [52];
54th International Astronautical Federation Congress. Бремен, Германия, сентябрь-октябрь 2003 [53];
Всероссийской Федеральной итоговой научно-технической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам. Звенигород, декабрь 2003 [54];
Первой Всероссийской конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук». Томск, апрель 2004 [55];
Научно-методической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики в тематике научных исследований Тюменского региона», Тюмень, февраль 2005;
ХП-ом межотраслевом научном и методическом семинаре «Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника». Тюмень, апрель 2005 [40];
Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения». Бийск, июль 2005 [56, 57].
По теме диссертации опубликовано 12 работ [51-62], в том числе статья в международном журнале [58], статья в академическом журнале [59] и патент РФ [60].
Эффект нагрева электромагнитным излучением — это, вероятно, одно из наиболее приятных явлений природы X. Фанг и Р. Суоффорд [4, стр. 214]
Фототермическая рефракция: термолинза, фототермическая деф лекция и мираж-эффект
Наибольшее применение фототермические (рптокалоргшетрические) эффекты получили в спектроскопии. Фототермическая спектроскопия (ФТС) представляет собой группу высокочувствительных методов измерения оптического поглощения и тепловых характеристик образца [1]. Общим признаком этих методов является получение информации о свойствах и составе исследуемой среды на основе прямой регистрации поглощенной в ней мощности по сопутствующим изменениям физических и термодинамических параметров этой среды. И хотя ФТС иногда называют одним из непрямых методов фотоабсорбционного анализа, но в некотором смысле ФТС измеряет оптическую абсорбцию более непосредственно, чем спектроскопия, основанная на оптическом пропускании. Нагревание образца является прямым следствием оптического поглощения и, таким образом, сигнал ФТС прямо зависит от поглощения света. Потери на рассеяние и отражение не вносят вклада в ФТ сигнал. Следовательно, ФТС более точно измеряет оптическое поглощение в рассеивающих растворах, в твёрдых телах и на ПРФ.
Непрямая природа измерения и привела к появлению ФТС, которая оказалась чувствительней традиционной спектроскопии, основанной на методах измерения оптического поглощения по пропусканию. Для этого имеется два благоприятных обстоятельства.
Во-первых, ФТ эффекты могут усиливать измеряемый оптический сигнал. Коэффициент усиления равен отношению сигнала, полученного с применением ФТС, к сигналу, полученному в обычной, абсорбционной спектроскопии. Коэффициент усиления зависит от термических и оптических свойств образца, мощности и энергии источника возбуждения образца, а также от оптической геометрии используемой для возбуждения образца. Поскольку мощность или энергию оптического возбуждения и геометрию можно изменять, то коэффициент усиления можно сделать очень большим, даже для образцов с относительно слабыми термическими и оптическими свойствами. Фактически, в ФТС проблемой является не предел обнаружения поглощения, а обнаружение поглощающего излучение анализируемого вещества при наличии относительно большого (10 5 см-1) поглощения растворителя.
Во-вторых, более высокая чувствительность ФТС связана с тем, что ей присуща более высокая точность измерения. Большая чувствительность методов ФТС привела к применению их для анализа слабо поглощающих образцов. Величина сигнала в ФТС зависит от конкретного метода используемого для обнаружения ФТ эффекта и от типа исследуемого образца. Оптимизированные установки позволяют детектировать оптическое поглощение менее 10-6 см-1, поэтому ФТС часто характеризуют как метод анализа следовых концентраций. Электронные переходы сильно поглощающих хромофоров имеют молярную экстинкцию свыше 104 моль см-1. Используя ФТ методы, измеряют концентрацию менее 10" моль этих сильно поглощающих веществ даже в стандартных кюветах. Эти пределы обнаружения несколько выше полученных с применением лазерной флуоресцентной спектроскопии, но на 2-3 порядка лучше достигнутых с помощью обычной спектроскопии на пропускание. Низкие молярные пороги детектирования поглощения связаны с тем фактом, что исследуемый объём может быть очень малым, что даёт в результате крайне малое число молекул, которое должно быть обнаружено.
Изменение температуры, возникающее при оптическом поглощении, непосредственно связано с теплоёмкостью и теплопроводностью образца. Это затрудняет абсолютное измерение поглощения образца. Термические и оптические свойства образца должны быть известны с высокой точностью, либо чувствительность прибора прокалибрована на образцах с известным составом и поглощением. С помощью прокалиброванных приборов можно измерять статические и динамические свойства образца. ФТС используют для измерения скорости звука, температуропроводности, температуры образца, скорости течения, удельной теплоёмкости, коэффициента объёмного расширения и гетерогенной теплопроводности в твёрдых телах.
В ФТС в качестве источника света служат лазеры. Для этого имеется две причины. Первая - это высокие спектральная чистота и мощность. В случае возбуждения образца с данным коэффициентом поглощения, изменение температуры пропорционально оптической мощности при непрерывном возбуждении или энергии - при импульсном. В ФТС сигнал обычно пропорционален изменению температуры, т.е. чем больше мощность или энергия, тем больше сигнал. Лазер может дать высокую мощность или энергию в импульсе в очень узком спектральном интервале, усиливая таким образом ФТ сигнал. Второй причиной является пространственная когерентность. Изменение температуры не только пропорционально оптической мощности или энергии, но также обратно пропорционально объёму, в котором свет поглощается, поскольку теплоёмкость увеличивается с количеством вещества. Свойство пространственной когерентности позволяет сфокусировать свет в малый, дифракционно-ограниченный объём. Малые объёмы, используемые в ФТС, усиливают сигнал, позволяя использовать ФТС для анализа малообъёмных образцов и микроанализа гетерогенных материалов.
Большое разнообразие и сложная взаимосвязь ФТ методов породила потребность в их упорядочении и создании строгой и ясной классификации. Такая попытка сделана в работе [1], рис. 1.1, где схематично показаны механизмы трансформации световой энергии и ФТ эффекты, которые они вызывают. При всей условности и простоте этой схемы, она тем не менее содержит малозначимые в ФТ методах диагностики жидкостей виды трансформации энергии, такие, как химические реакции, переходы на метастабильные уровни и излучательная релаксация. Последняя, для веществ в конденсированном состоянии, имеет на несколько порядков меньшее время, чем тепловая столкновительная релаксация.
Зависимость времени задержки ТК отклика от толщины слоя жидкости
ФТ калориметрия основана на прямом измерении скачка температуры за счет поглощения света в образце [4]. Выделившееся тепло равно энергии поглощенного света, если отсутствуют люминесценция, фотохимические и фотоэлектрические эффекты. Чтобы избежать утечки тепла, колориметрическая регистрация ФТ эффекта должна осуществляться в хорошо изолированном вакуумном дьюаре, а образец должен иметь хороший тепловой контакт с датчиком температуры, теплоемкость которого мала. В качестве датчиков используют болометры, пироэлектрики, термопары и т.д. ФТС можно осуществить, сканируя длину волны падающего на образец света и измеряя соответствующий скачок температуры. Однако, из-за медленного отклика, измерения требуют большого времени - получение одной экспериментальной точки занимает до пяти минут.
ФТ радиометрия (ФТР), основанная на изменении интенсивности ИК излучения образца после поглощения им света и релаксации возбуждения в тепло, является полностью бесконтактным методом. Это преимущество, в ряде приложений, делает ФТР предпочтительнее других ФТ методов (при исследовании образцов при высокой температуре и образцов подверженных коррозии, при необходимости контроля продуктов в процессе облучения, также в случае слишком больших и слишком малых образцов, когда крепление к ним датчика или помещение их в фотоакустическую ячейку становится затруднительным, и т.п.).
Если для нагрева используется лазерное излучение, то метод называют лазерной фототермической радиометрией [5]. Исследуемый образец подвергают периодическому облучению импульсами лазера. При поглощении лазерного излучения и выделении тепла происходит модуляция температуры поверхности и регистрируемого теплового сигнала на частоте повторения лазерных импульсов. Регистрируемый сигнал теплового излучения в данном случае зависит как от измеряемой температуры объекта, так и от её квазипериодической флуктуации, вызванной воздействием лазерного излучения.
Периодическое воздействие повышает чувствительность метода, так как благодаря накоплению сигнала позволяет использовать технику выделения слабого сигнала на уровне или ниже шумов. Лазерную ФТР традиционно используют для дистанционного спектрального анализа и измерения оптического поглощения в различных средах. Этот метод весьма эффективен и при измерении температуры поверхности твёрдых тел.
В ИК области наиболее часто используют линзовые оптические системы. Это обусловлено тем, что существующее разнообразие материалов и возможности обработки их поверхностей позволяют реализовать компактные оптические системы с высокими характеристиками. Чувствительность оптической системы к ИК излучению связана с апертурой оптики, поэтому для проведения измерений обычно используют светосильную оптику. Материалом для линз часто служит германий, который прозрачен и имеет малую дисперсию в спектральном диапазоне 2-16 мкм.
Для измерения температуры образцов, расположенных на конечном расстоянии от объектива, одна из возможных оптических схем может быть построена так, что приёмник излучения и излучаемый участок образца располагаются на двойном фокусном расстоянии от плоскости линзы, рис. 1.6. В этом случае линза измерительной системы полностью изображает источник на чувствительной площадке приёмника излучения. При условии, что конструктивные параметры линзы обеспечивают примерное равенство площадей кружков рассеяния в плоскостях расположения образца и приёмной площадки фотоприёмника, весь тепловой поток от точечного источника, заключённый в телесном угле ДО, регистрируется приёмником излучения. Старейшим техническим применением ФТ эффекта было использование его в фотофоне, который изобрел Белл в 1880 г [92]. Он открыл, что можно услышать звук, исходящий из трубы, заполненной различными веществами, когда через неё проходит модулированный свет. Звук был громким, когда труба была заполнена поглощающим излучение газом или твердым веществом, но слабым если там была жидкость. Принцип работы теперь хорошо известен. Модуляция света, падающего на поглощающее вещество, вызывает модуляцию температуры в результате ФТ эффекта. В газе ограниченного объёма модуляция температуры вызывает модуляцию давления. Периодически модулированное давление и есть акустический сигнал.
Первым фотоакустический (ФА) эффект в спектроскопии применил Венгеров в 1938 г. [93]. Он изучал поглощение света в газах и получил количественные оценки концентрации в газовых смесях, основанные на величине сигнала. Кэр и Атвуд в 1968 г. [95] использовали лазер для возбуждения образца и применили ФА эффект для чувствительных измерений в химии. Интерес к этому методу возрос после того, как Кройзер продемонстрировал чувствительность на уровне ppb (10 ) при обнаружении метана в азоте, используя He-Ne лазер (Х = 3,39 мкм) в качестве источника возбуждения [95]. Позже он же [96], используя ИК СО и СОг лазеры, достиг sub-ppb чувствительности при обнаружении аммиака и других газов. Это достижение стало возможным благодаря применению лазера в качестве источника возбуждения, который позволяет получить сильный ФА сигнал. Интерес и развитие ФА методов связано с проблемами экологии и осознанием того факта, что даже ничтожно малые загрязнения могут оказывать сильное влияние на окружающую среду.
Эффект задержки ТК отклика в различных пробах воды
В этом устройстве две кварцевые пластинки толщиной 6 мм служили зеркалами (точнее, светоделителями) интерферометра. Сильный пучок непрерывного лазера (плечо S интерферометра на рис. 1.11) обеспечивал возбуждение в рабочем плече. Двойное отражение внутри первой кварцевой пластинки давало слабый контрольный пучок (плечо R интерферометра). Так как образец поглощает энергию из сильного пучка S, температура в этом плече растет и вызывает постепенное уменьшение показателя преломления образца. Результирующий сдвиг фазы пучка S по отношению к пучку R дает сдвиг полос интерференционной картины, образуемой сложением пучка S после его двукратного отражения во второй кварцевой пластинке с пучком R. Картину полос диафрагмируют так, что первый приемник видит только круто спадающий или нарастающий край одной полосы. Это соответствует точке максимальной чувствительности измерения интенсивности к изменениям относительной фазы Аф. Эта точка определена условием cos($5 - фя) = 0.
Чтобы вычесть флуктуации интенсивности лазера, часть прошедшего пучка S направляют на второй контрольный приемник для записи Л/7/. Существенным преимуществом этой схемы является двухлучевая конструкция интерферометра, в которой автоматически устраняются крупномасштабные объемные вариации показателя преломления образца, обусловленные изменениями температуры окружающей среды.
Стоун также показал, что можно использовать как когерентные источники излучения, так и широкополосные некогерентные. Он использовал усовершенствованный интерферометр Жамена для получения спектра поглощения хлорбензола. Используя этот прибор и источник возбуждающего излучения мощностью 2-3 мВт, он смог измерить коэффициент поглощения 2хКГ5см-1.
В этом методе, в отличие от ФТ дефлекционного метода, источником отклонения является топографическая деформация поверхности от которой отражается пробный пучок. Этот эффект называют фототермоупругим эффектом или фототермическим поверхностным отклонением (см. рис. 1.9).
В чистой жидкости со свободной поверхностью при локальном нагреве происходит изменение не только температуры Т, давления Р и плотности р, но и такого важного свойства как поверхностное натяжение /(см. классификацию на рис. 1.4). С ростом температуры ПН уменьшается и для большинства жидкостей вдали от критической точки это происходит по закону близкому к линейному у = у0-у тАТ. Возникший градиент ПН, у —, порождает поверхностное течение, направленное из более нагретой области в менее нагретую. Благодаря вязкости, это течение увлекает нижележащие слои, порождая конвективное движение, получившее название термокапилпярное. Этот термин, введенный А.И. Федосовым в 1956 г. [105], был призван разделить капиллярную конвекцию, или, как ее часто называют, конвекцию Марангони, на два вида, по механизму их вызывающему. Кроме температуры ПН также зависит от концентрации одного вещества в другом. Конвекция, возникающая под действием градиента концентрации на поверхности жидкостей, получила название концентрациотю-капиллярной [28]. Термин термокапиллярный (ТК) надежно вошел в употребление не только у нас в стране [106-114], но и за рубежом {thermocapillary) [63-67, 80, 81, 115-117]. Большое число публикаций посвященных ТК конвекции связано с практической значимостью, например в материаловедении [17, 18, 81-84, 118-120]. Во многих работах по изучению ТК конвекции для ее возбуждения применяют контактные нагреватели в виде полос (стенок) с разной температурой [115, 121, 122] или осесимметричный нагреватель [106-108, 116, 117, 123]. В 1975 г. Безуглый Б.А. впервые наблюдал фотоиндуцированную термокапиллярную конвекцию [42]. Несколько позже она стала объектом исследования венесуэльских ученых Г. ДаКосты и Дж. Калатрони, посвятившим ей серию публикаций [63-73]. Для общности фотоиндуцированный термокапиллярный эффект, как и другие ФТ эффекты, в которых для обозначения излучательного механизма нагрева используется приставка «фото-», был назван фототермокапиллярным (ФТК) [40]. В последние десятилетия, в связи с бурным внедрением лазеров во все отрасли науки и техники, возросло число работ посвященных ФТК конвекции [28-91], особенно в этом ряду выделяются публикации Безуглого Б.А. и его учеников [28-62]. Если нагрев производится одномодовым лазерным пучком то на поверхности появляется осесимметричное центробежное ТК течение, образующее углубление. Отраженный от этого углубления индуцирующий пучок можно использовать и для его детектирования, что роднит его с эффектом ФТ поверхностного отклонения (см. п. 1.8). Сама деформация представляет собой вогнутое осесимметричное зеркало, и по аналогии с фототермолинзовым эффектом (см. п. 1.5), его можно назвать фототермокапиплярным зеркалом. Отраженный от него пучок несет информацию о его параметрах, а значит и об интенсивности ТК конвекции, которая зависит более чем от десятка параметров. Их удобно сгруппировать следующим образом [34]:
Измерение коэффициентов поглощения и отражения эбонита
Таким образом, даже используя стандартную видеокамеру, наблюдать всплеск ТК отклика в слоях тоньше 500 мкм практически невозможно. Стоит заметить, что при А =1710 мкм Ds, почти совпадает с диаметром светлого пятна в пробном пучке, но следует помнить, что в первом случае речь идет о перефокусированном пучке, т.е. о классическом ТК отклике с резкой границей (напр. рис. 2.5е), а во втором лишь о незначительно сфокусированной части пробного пучка (напр. рис. 2.5с). Для слоя толщиной 2010 мкм, когда градиент температуры на поверхности совсем мал, в момент всплеска наблюдается лишь фокусировка светлого пятна.
В экспериментах использовали шесть органических жидкостей: п-октан, 1,4-диоксан, изопропанол, n-бунанол, бензиловый спирт и этиленгликоль, перечисленных в порядке возрастания из вязкости rj, играющей существенную роль в любом конвективном движении. Следует отметить, что определяющим фактором, влияющим на вязкость жидкостей, является энергия межмолекулярного взаимодействия.
Для спиртов основной вклад в межмолекулярное взаимодействие вносит межмолекулярная водородная связь. У одноатомных неароматических спиртов в ряду R-OH, R = Ci-C4 энергия межмолекулярной водородной связи АН в неполярном растворителе (СС14) и в газовой фазе одинакова в пределах экспериментальной погрешности (данные ИК-спектроскопии [125] - 6.0 ккал/моль; данные по определению второго вариального коэффициента в газовой фазе [126] - 4.0 ккал/моль). У ароматических спиртов (напр. бензилового спирта) величина ДЯ немного меньше, чем у неароматических, при сравнении данных, полученных одинаковыми экспериментальными методами [127, 128]. Увеличение вязкости бензилового спирта в сравнении с изопропанолом и и-бутанолом обусловлено дополнительными эффектами обменного взаимодействия ;г-электронов ароматических ядер рядом расположенных молекул. Этиленгликоль содержит две ОН-группы, поэтому энергия межмолекулярного взаимодействия, обусловленная водородной связью, возрастает примерно в два раза по сравнению с одноатомными спиртами.
У и-октана и 1,4-диоксана ОН-группа и межмолекулярная ассоциация отсутствуют, в связи с чем, вязкость их существенно меньше. Наличие у 1,4-диоксана двух электроотрицательных атомов кислорода способствует более выраженным межмолекулярным взаимодействиям, чем для и-октана, поэтому его вязкость примерно в два раза выше.
Рассмотрим подробно процесс всплеска ТК отклика для трех жидкостей , рис. 2.9. Видно, что с увеличением вязкости жидкости (межмолекулярного взаимодействия), увеличивается Tj (об этом подробнее в п. 2.5) и ширина всплеска. Последнее объяснятся тем, что в силу большей вязкости конвективные вихри закручиваются медленнее, поэтому и всплеск длится дольше. Следовало ожидать, что Dsp для менее вязкой жидкости должен быть больше, так как в этом случае тратиться меньше энергии на диссипацию. Так и происходит, если сравнивать Dsp для бензилового спирта и и-бутанола, но Dsp в и-октане меньше чем для более вязкого м-бутанола. Здесь необходимо учесть, что ТК конвекция в «-октане возникает более чем в 1.5 раза быстрее, чем в п-бутаноле, и запас тепла в слое и подложке в этом случае значительно меньше. Высокая вязкость этиленгликоля (//=19-9 мП-с) существенно тормозит конвективные вихри в нем, поэтому ТК конвекция в нем, после задержи Td, Характерное соотношение амплитуд всплесков для этих жидкостей остается одинаковым и при других толщинах слоя. Эволюция ТК отклика слоев п-октана и и-бутанола приведена в.
Фототермокапиллярный эффект был открыт в 1975 г. Б.А. Безугльтм в Московском госуниверситете им. Ломоносова [42]. В Венесуэле с 1978 г. в университете им. Симона Боливара ФТК эффект в тяжелой нефти исследовал Да Коста. Целью его работ было показать, как формируется интерференционная картина ТК отклика [64-66, 68, 73] и установить причины формирования ТК углубления [64, 66, 69, 71]. Он доказал что ТК отклик появляется в результате интерференции света отраженного от вогнутой центральной и выпуклой периферийной части ТК зеркала [64]. Визнюк и др., измерив профиль стационарного ТК углубления, теоретически рассчитали профиль интенсивности ТК отклика [80]. Измеряя форму и интенсивность ТК отклика Безуглым и его учениками создан ряд способов для измерения вязкости [29-31], толщины слоя жидкости [35-37], его плоскостности [38] и клиновидности [39] и т.д. Зависимость формы стационарного ТК отклика от статической кривизны мениска позволила усовершенствовать метод наклонной пластинки измерения краевого угла смачивания [43, 44]. По отклику также измеряют мощность и энергию импульса лазерного пучка [47-49]. Таким образом, стационарный ТК отклик достаточно изучен [28, 33, 34] и не являлся объектом данного диссертационного исследования.
