Введение к работе
В физике конденсированного состояния существенное место занимают исследования явлений переноса, включая перекрестные явления, происходящие под действием двух термодинамических сил. Примером могут быть термоэлектрические явления. В отличие от материалов для традиционных термоэлектрических преобразователей энергии (обычно рассматриваемых в физике конденсированного состояния), в которых используются твердые материалы, предлагается изучение термоэлектрокинетического эффекта в электропроводящей жидкости с возможностью не только теплопереноса, но и массопереноса. Традиционно в термоэлектричестве используются среды с заранее созданной статической неоднородностью, характер которой сохраняется при наложении градиента температуры. Типичным примером являются кристаллы полупроводниковых термоэлектрических материалов, легированных донорными или акцепторными примесями для получения соответственно пир- ветвей термоэлементов. В данном исследовании создается динамическая неоднородность в растворах ионных соединений. В физике хорошо исследованными являются перекрестные явления, которые возникают, как правило, при наличии двух термодинамических сил (термоэлектрические явления, электрокинетические, меха-нокалорические и др.).
Актуальность данной работы заключается в исследовании нового термоэлектрокинетического эффекта, который возникает в вязкой электропроводящей жидкости при переносе массы и электрического заряда при наличии градиента температуры, то есть при действии трех термодинамических сил. Перекрестными явлениями будут:
перенос массы, обусловленный наличием одновременно переноса внутренней энергии и переносом электрического заряда;
перенос внутренней энергии, обусловленный наличием одновременно переноса массы и переносом электрического заряда;
перенос электрического заряда, обусловленный одновременно наличием переноса массы и переноса внутренней энергии (наличием градиента температуры). Новый класс перечисленных явлений впервые был предсказан [1] и тер-моэлектрокинетическая электродвижущая сила (ЭДС) наблюдалась [2] в лаборатории полуметаллов Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена.
Принципиально важной является возможность протекания термоэлектро-кинетических явлений, когда неоднородность среды формируется как самоорганизованная структура в сильно неравновесных условиях, когда в первоначально однородной среде формируется самоорганизующийся термоэлемент. При этом естественно не ограничиваться твердым состоянием вещества. К настоящему времени можно считать наиболее исследованными кинетические фазовые переходы в существенно неравновесных условиях в жидких средах. В работе исследуются процессы разделения систем ионов с электрическими зарядами противоположных знаков в водных растворах ионных соединений при действии теплопереноса и массопереноса.
Изучение закономерностей возникновения и протекания термоэлектроки-нетической ЭДС в электропроводящих жидкостях представляет самостоятельный интерес и является предметом исследования данной работы. Таким образом, для экспериментального исследования нового термоэлектрокинетического эффекта, как перекрестного явления при наличии переноса заряда, массы и при наложении градиента температуры, становится ясным выбор объекта исследований. Это разбавленные водные растворы электролитов, так как законы, которым они подчиняются, наиболее просты. Это - предельные законы, которые выполняются тем точнее, чем более разбавлен раствор.
Целью данной работы является экспериментальное исследование термоэлектрокинетического эффекта, возникающего в органических и неорганических электропроводящих жидкостях; установление основных закономерностей термоэлектрокинетического эффекта в жидких электролитах при различных внешних воздействиях.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Разработать методику исследования и экспериментальную установку для наблюдения термоэлектрокинетического эффекта и измерения термоэлек-трокинетической ЭДС.
Осуществить выбор составов водных растворов ионных соединений, оптимальных для наблюдения термоэлектрокинетического эффекта и измерения термоэлектрокинетической ЭДС.
Исследовать сопутствующие эффекты (электрохимический, термоэлектрический, электрокинетический), минимизировать или исключить их влияние на величину термоэлектрокинетической ЭДС для обеспечения надежного ее измерения.
Установить факторы, определяющие знак термоэлектрокинетической ЭДС в водных растворах электролитов.
Получить зависимости термоэлектрокинетической ЭДС от скорости течения и концентрации электролита.
Исследовать влияние величины и направления градиента температуры на величину термоэлектрокинетической ЭДС.
На основе анализа экспериментальных данных построить качественную модель термоэлектрокинетического эффекта.
Связь темы с планом научных работ. Диссертационная работа является частью научных исследований кафедры физики Елецкого государственного университета им. И.А. Бунина. Финансирование: Федеральным агентством по образованию РФ в рамках аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы" № 2.1.1/9581 «Исследование перекрестных явлений переноса в вязких электропроводящих жидкостях», а также РФФИ, № 09-02-97538 «Исследование неравновесных термоэлектродинамических явлений в вязкой электропроводящей среде при наличии тепло- и массопереноса».
Достоверность и научная обоснованность полученных экспериментальных результатов работы обеспечена применением в экспериментах стандартной измерительной аппаратуры, воспроизводимостью экспериментальных результатов, детальным анализом природы сопутствующих эффектов, минимизацией или исключением их вкладов при количественном определении величины тер-моэлектрокинетической ЭДС, статистической обработкой экспериментальных данных.
Основные положения, выносимые на защиту:
Разработанная методика и техника эксперимента обеспечивает надежное наблюдение термоэлектрокинетического эффекта в растворах электролитов и количественное измерение термоэлектрокинетической ЭДС.
Полярность термоэлектрокинетической ЭДС определяется знаком заряда наиболее подвижных ионов и направлением массопереноса электролита, не зависит от направления градиента температуры.
Термоэлектрокинетическая ЭДС формируется при наличии градиента температуры и массопереноса в условиях кинетической неоднородности среды, монотонно возрастает при увеличении градиента температуры и концентрации раствора, в зависимости от скорости массопереноса электролита проходит через максимум.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней в отличие от ранее известных работ, в которых исследовались перекрестные явления, как правило, при действии двух термодинамических сил, впервые произведены исследования нового термоэлектрокинетического эффекта в разбавленных водных растворах электролитов при наличии переноса массы, тепла и электрического заряда, т.е. при действии трех термодинамических сил и получены следующие результаты:
Разработана новая методика измерений термоэлектрокинетической ЭДС для серии разбавленных водных растворов электролитов.
Установлено, что основными факторами, определяющими термоэлектро-кинетическую ЭДС, являются наличие градиента температуры и массопереноса в условиях кинетической неоднородности системы, заключающейся в понижении ее симметрии вследствие одинаковой и противоположной направленности термодиффузионного переноса и массопереноса в ее ветвях.
Обнаружено, что знак термоэлектрокинетической ЭДС определяется знаком заряда более подвижных ионов электролита, что указывает на существенную роль процессов термодиффузии в формировании термоэлектрокинетического эффекта, и направлением скорости протекания электролита.
Показано, что полярность термоэлектрокинетической ЭДС не зависит от направления градиента температуры, что обусловлено как изменением направления термодиффузионного переноса в ветвях, так и характером их кинетической неоднородности - изменением соотношения направлений термодиффузионного переноса и массопереноса.
Обнаружено, что величина термоэлектрокинетической ЭДС монотонно возрастает, по закону близкому к линейному, в зависимости от величины перепада температуры вдоль трубок.
Обнаружено, что в зависимости от скорости протекания термоэлектроки-нетическая ЭДС проходит через максимум, который соответствует наибольшему различию ветвей системы.
Установлено, что термоэлектрокинетическая ЭДС разбавленного водного раствора гидроксида калия (КОН) возрастает прямо пропорционально концентрации раствора.
Установлено, что зависимость термоэлектрокинетической ЭДС от величины перепада температуры, скорости массопереноса, концентрации ионов для исследованного ряда ионных соединений имеет одинаковый вид.
Теоретическая значимость работы состоит в обнаружении и экспериментальном исследовании термоэлектрокинетического эффекта, возникающего в электропроводящих жидкостях, что создает основу для построения микроскопической теории нового класса явлений. Полученная в работе научная информация о новом термоэлектрокинетической эффекте создает основу для разработки теории кинетических эффектов при действии трех термодинамических сил, включая перекрестные эффекты, возникающие в условиях самоорганизации систем.
Практическая значимость работы. Экспериментальные исследования природы и закономерностей термоэлектрокинетического эффекта создают основу для развития новых методов изучения характеристик ионов в растворе. Полученная в работе новая научная информация может быть использована при анализе процессов, происходящих в плазме носителей заряда в твердых телах, при исследовании термоэлектрокинетических явлений в атмосферах планет. Полученные данные о закономерностях термоэлектрокинетической ЭДС создают основу для разработки преобразователей энергии на основе термоэлектрокинетического эффекта. Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе.
Апробация работы. Результаты и выводы работы докладывались автором на Межгосударственных семинарах "Термоэлектрики и их применение" (Санкт-Петербург, ФТИ им. Иоффе, 2006, 2008); Межвузовской конференции "Роль инновационных технологий в развитии региона" (Липецк, ЛГТУ, 2006); на Всероссийской научной конференции "Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания" (Липецк, ЛГПУ, 2007); на Научно-практической конференции "Физика неравновесных явлений" (Елец, ЕГУ им. И.А. Бунина, 2007); IV и V Всероссийской конференции "Необратимые процессы в природе и технике" (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 и 2009); на X Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум» (Астрахань, АТУ, 2008); на Всероссийской научно-практической конференции «Физические явления в конденсированном состоянии вещества» (Чита, За-6ГГПУ, 2009); на X Международной конференции "Физика в системе современного образования (ФССО-09)" (Санкт-Петербург, РГПУ им. А.И. Герцена, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 1 в реферируемом журнале.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Полный объем составляет 142 страниц, в том числе 55 рисунков, 11 таблиц и список литературы (97 ссылок) на 8 страницах.
