Введение к работе
Актуальность. Изучению перекрестных явлений в физике и физической химии посвящено множество работ. С позиций фундаментальной физики представляет интерес исследование перекрестных явлений в наиболее широком диапазоне возможных видов электропроводящих сред и возможных неодно-родностей. 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 среде 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 является выращивание кристаллов полупроводниковых термоэлектрических материалов, легированных донорными или акцепторными примесями для получения соответственно пир- ветвей термоэлементов. В данном исследовании предлагается создание динамической неоднородности среды, обусловленной ее течением. Исследуемые в физике и физической химии перекрёстные явления возникают, как правило, при наличии двух термодинамических сил (термоэлектрические явления, электрокинетические, механокалорические и др.). В данной работе изучаемый эффект возникает при переносе массы электропроводящей среды и электрического заряда при наличии градиента температуры, т.е. при действии трёх термодинамических сил. Перекрестными явлениями будут:
перенос массы, обусловленный наличием одновременно градиента температуры и электрического тока;
перенос внутренней энергии, обусловленный наличием одновременно переноса массы и электрического тока;
перенос электрического заряда, обусловленный одновременно наличием переноса массы и переноса внутренней энергии (наличием градиента температуры). Новый класс перечисленных явлений впервые был теоретически предсказан профессором РГПУ им. Герцена Грабовым Владимиром Миновичем и назван термоэлектрокинетическими.
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 можно не ограничиваться твердым состоянием вещества. Особый интерес представляет плазменное состояние, как наиболее распространенное в природе в виде плазмы звезд.
К настоящему времени можно считать наиболее исследованными кинетические фазовые переходы в существенно неравновесных условиях в жидких средах. Формирование динамических структурных неоднородностей в электропроводящих жидкостях при наличии градиента температуры может привести к возникновению термоэлектромагнитных явлений.
Изучение закономерностей возникновения и протекания термоэлектроки-нетичсской ЭДС представляет самостоятельный интерес и является предметом исследования данной работы. Таким образом, для экспериментального исследования нового термоэлектрокинетического эффекта, как перекрёстного 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 установление основных закономерностей термоэлектрокинетического эффекта в жидких электролитах. В рамках достижения этой цели в диссертации:
Создана экспериментальная установка и разработана методика эксперимента.
Осуществлен выбор состава среды, позволяющей с наилучшей точностью измерить термоэлектрокинетический эффект.
Исследованы сопутствующие эффекты (электрохимический, термоэлектрический, электрокинетический) и минимизировано или исключено их влияние на величину термоэлектрокинетической ЭДС.
Установлены факторы, определяющие знак термоэлектрокинетической ЭДС в водных растворах электролитов.
Исследовано влияние скорости протекания электролита на величину термоэлектрокинетической ЭДС. Получены зависимости термоэлектрокинетической ЭДС от скорости течения электролита.
Исследовано влияние концентрации электролита на величину термоэлектрокинетической ЭДС. Получены зависимости термоэлектрокинетической ЭДС от концентрации электролита.
Исследовано влияние величины и направления градиента температуры на величину термоэлектрокинетической ЭДС.
На основе анализа экспериментальных данных построена качественная модель термоэлектрокинетического эффекта.
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 термоэлектрокинетической ЭДС.
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, что указывает на существенную роль процессов
термодиффузии в формировании термоэлектрокинетического эффекта, и направлением массопереноса электролита.
3. Основными факторами, определяющими термоэлектрокинетическую
ЭДС, являются наличие градиента температуры и массопереноса в условиях
кинетической неоднородности системы, заключающейся в понижении ее
симметрии вследствие одинаковой и противоположной направленности тер
модиффузионного переноса и массопереноса в ее ветвях. Термоэлектроки-
нетическая ЭДС монотонно возрастает при увеличении градиента темпера
туры и концентрации раствора (в области малых концентраций), а в зависи
мости от скорости массопереноса электролита проходит через максимум, ко
торый соответствует наибольшему различию ветвей системы.
4, Знак термоэлектрокинетической ЭДС не зависит от направления градиен
та температуры при сохранении направления массопереноса, что обусловле
но как изменением направления термодиффузионного переноса в ветвях, так
и характером их кинетической неоднородности - изменением соотношения
направлений термодиффузионного переноса и массопереноса. Предложен
ная модель термоэлектрокинетического эффекта находится в качественном
согласии с экспериментом.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней в отличие от предшествующих работ, при исследовании термоэлектрокинетического эффекта получены следующие результаты:
Впервые был исследован термоэлектрокинетический эффект с использованием новой методики измерений для серии разбавленных водных растворов электролитов.
Обнаружено, что знак термоэлектрокинетической ЭДС определяется знаком заряда более подвижных ионов электролита, направлением скорости протекания электролита и не зависит от направления градиента температуры. Величина термоэлектрокинетической ЭДС монотонно возрастает в зависимости от величины перепада температуры вдоль трубок.
Получены зависимости термоэлектрокинетической ЭДС от скорости протекания для нескольких типов разбавленных водных растворов электролитов с использованием электродных систем первого и второго рода.
Обнаружено, что в зависимости от скорости протекания термоэлектроки-нетическая ЭДС переходит через максимум независимо от типа электролита или используемой электродной системы.
Установлено, что термоэлектрокинетическая ЭДС разбавленного водного раствора гидроксида калия (КОН) возрастает прямо пропорционально концентрации раствора.
Установлено, что термоэлектрокинетический эффект для водных растворов ряда ионных соединений подчиняется общим закономерностям и качественно описывается одной моделью.
Теоретическая значимость работы состоит в обнаружении и всестороннем исследовании термоэлектрокинетического эффекта, являющегося перекрёстным эффектом при действии трёх термодинамических сил определяющих перенос массы, тепла и заряда. Полученная в работе научная
информация о новом термоэлектрокинетическом эффекте представляет интерес для развития кинетической теории, физики плазмы, электрохимии.
Практическая значимость работы. Экспериментальные исследования 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 твердых тел, плазме звёзд, при исследовании термоэлектроки-нетических явлений в атмосферах планет, недрах Земли. Полученные данные о закономерностях термоэлектрокинетической ЭДС могут быть использованы при разработке преобразователя энергии на основе термоэлектрокинетического эффекта. Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе.
Апробация работы. Результаты и выводы работы докладывались автором на X и XI Межгосударственных семинарах "Термоэлектрики и их применение" ФТИ им. Иоффе. СПб. - 2006г. и 2008г; на IV и V Всероссийской конференции "Необратимые процессы в природе и технике" (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 и 2009); на Всероссийской научной конференции "Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания" (Липецк, ЛГПУ, 2007); Межвузовской конференции "Роль инновационных технологий в развитии региона" (Липецк, ЛГТУ, 2006); на Научно-практической конференции "Физика неравновесных явлений" (Елец, ЕГУ им. И.А. Бунина, 2007); на X Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум» (Астрахань, АГУ, 2008); на XIII Международном форуме по термоэлектричеству (Киев, НАН Украины, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 1 в реферируемом журнале.
