Введение к работе
Актуальность темы. Современная база знаний по теплофизическим свойствам жидкостей построена на многочисленных экспериментальных данных и широко используется в науке, технике и различных промышленных технологиях Структура и физические свойства жидкостей в граничном слое, прилегающем к твердой поверхности, отличаются от структуры и свойств объемной жидкости. Структурные изменения в наибольшей степени проявляются в полярных жидкостях В газовой среде, содержащей пар полярной жидкости, на поверхности твердого тела образуется наноразмерный адсорбционный граничный слой. Жидкость в граничном слое рассматривают как особую граничную фазу*.
Потребности промышленности в базе данных по теплофизическим параметрам с каждым годом возрастают. Накоплена достаточно обширная информация по теплофизическим параметрам жидкостей в объемной фазе, для жидкостей в граничной фазе имеются только немногочисленные разрозненные сведения. Отсутствие единой теории жидкого состояния не позволяет с приемлемой точностью определять термодинамические свойства жидкостей, как в объемной, так и в граничной фазах Теоретический анализ теплофизи-ческих параметров граничных слоев жидкостей требует дополнительных приближений и допущений, и, соответственно, возникает потребность в подробных экспериментальных результатах Поэтому теоретическое и экспериментальное исследование теплофизических параметров граничных слоев жидкостей является актуальной задачей.
Экспериментальное исследование теплофизических параметров граничных слоев жидкостей, затруднено в силу высоких требований предъявляемых к постановке эксперимента и методам их измерения. Важным инструментом исследования граничных слоев являются поверхностные акустические волны (ПАВ), которые чувствительны к изменению акустических, электро- и теплофизических параметров слоистых систем. Поэтому большое значение приобретает создание чувствительных акустоэлектронных методов исследования для измерения теплофизических свойств полярных жидкостей в граничной фазе и параметров адсорбционного слоя.
Целью работы является разработка акустоэлектронных методов исследования параметров граничных слоев полярных жидкостей и исследование теплофизических свойств воды в граничной фазе.
ДерягинБВ., ЧураевН.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. -М.: Наука, 1987. -389с.
Поставленная цель определила необходимость решения следующих задач:
Анализ взаимодействия поверхностных акустических волн с тонким слоем жидкости на поверхности твердого тела. Выявление связи физических свойств жидкости в граничном слое с параметрами поверхностных акустических волн.
Изучение влияния температуры на параметры граничного слоя и свойства полярной жидкости в граничной фазе.
Разработка акустоэлектронных методов определения теплофизиче-ских параметров жидкости в граничном слое.
Создание установки и экспериментальное исследование теплофизи-ческих свойств адсорбированной воды разработанными акустоэлектронными методами.
Научная новизна работы:
Предложена модель взаимодействия ПАВ со слоистой системой «адсорбированная жидкость - пьезоэлектрическая подложка» при вариациях температуры. В рамках модели получено аналитическое выражение для расчета толщины адсорбционного слоя при температуре нулевого значения температурного коэффициента времени задержки (ТКЗ).
Разработаны акустоэлектронные методы, экспериментальная установка и измерительные ячейки, позволяющие исследовать адсорбционные процессы на поверхности твердого тела, акустические и теплофизические свойства полярных жидкостей в граничной фазе.
В слоистой системе адсорбированная вода - ниобат лития впервые экспериментально исследованы температурные зависимости следующих параметров: изменение затухания и скорости ПАВ, изменение времени задержки ПАВ и температурного коэффициента времени задержки, температурные изменения плотности и коэффициента теплового расширения адсорбированной воды.
Впервые предложен акустоэлектронный метод определения адиабатической скорости звука в граничном слое жидкости, основанный на регистрации изменения параметров разнонаправленных (отличающихся по скорости) ПАВ в слоистой системе.
Практическая ценность:
Разработанные акустоэлектронные методы и экспериментальная установка, позволяют исследовать теплофизические свойства воды и других полярных жидкостей.
Предложенные методы могут быть использованы для получения данных о модификации теплофизических свойств полярных жидкостей в гра-
ничном слое, а также для решения прикладных задач, связанных с проблемами энергетики и нанотехнологии.
Толщину адсорбционного слоя, рассчитанную при температуре нулевого значения ТКЗ, можно использовать в качестве реперной точки для калибровки изотермы адсорбции.
Обнаруженная корреляция температуры нулевого значения ТКЗ и точки росы может быть использована для определения влажности газовой среды.
Основные защищаемые положения:
Аналитические зависимости, связывающие параметры ПАВ и слоистой системы позволяют рассчитать скорость звука в граничном слое жидкости и на базе известных термодинамических соотношений определить комплекс теплофизических параметров жидкости в граничной фазе.
Температурный коэффициент времени задержки динамически равновесной слоистой системы «адсорбированная вода - ниобат лития» при определенном значении температуры равен нулю.
Плотность адсорбированной воды на 1,5 - 2 % больше плотности объемной воды и её тепловое расширение не имеет характерного минимума.
Толщина адсорбционного слоя, найденная из акустических измерений при нулевом значении ТКЗ, может быть использована как реперная точка при определении изотермы адсорбции.
Теплота адсорбции определяется зависимостью равновесного давления пара от температуры, при постоянной толщине адсорбционного слоя и нулевом значении ТКЗ.
Достоверность экспериментальных результатов подтверждается согласованностью результатов при измерении теплофизических характеристик разработанными АЭ методами и известными апробированными методами, проведением дополняющих друг друга контрольных измерений.
Личный вклад автора. Анализ проблемы и обсуждение результатов проводились совместно с научным руководителем. Диссертант принимал участие в постановке задач исследования, ему принадлежат все расчеты, выкладки. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат результаты, сформулированные в защищаемых положениях и выводах
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях Акустика неоднородных сред (Новосибирск, 2006), Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в
электронике» (Москва, 2006), Байкальская школа по фундаментальной физике (Иркутск, 2006, 2007), XX сессия Российского акустического общества (Москва, 2008), Наноматериалы и технологии (Улан-Удэ, 2009), Физическая химия поверхностей и наноразмерных систем (Москва, 2010).
Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 12 работ, из них 2 статьи - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Общий объем диссертации ПО страница, из них 19 рисунков, 2 таблицы, список использованной литературы из 102 наименований.
