Введение к работе
"
Актуальность темы. Структура растворов электролитов до настоящего времени изучалось, главным образом, в водных растворах с помощью рентгеноструктурных исследований и термохимических измерений. Выявлено, что в разбавленных растворах электролитов средние координационные числа молекул воды, окружающих ионы, близки к координационным числам молекул в чистой воде. С ростом концентрации электролитов структура водных растворов постепенно меняется. При деформации раствора нарушается термодинамическое равновесие, и процесс восстановления равновесия складывается из нескольких налагающихся друг на друга процессов, протекающих с различными скоростями и характеризующихся различными временами релаксации. Именно структурная релаксация имеет особое значение в водных растворах электролитов. Она позволяет более детально исследовать вязкоупругие свойства растворов электролитов, а также рассматривать их акустические свойства.
Состояние вопроса. Статистическая теория жидкостей развивалась и достигла заметных успехов. Особенно это относится к развитию теория равновесного состояния жидкостей. Благодаря применению строгих методов статистической физики, в основном, в трудах Н.Н. Боголюбова, М. Борна, X. Грина и Дж. Киркуда была разработана последовательная статистическая теория жидкостей. Основная задача равновесной статистической теорий жидкостей - изучение равновесной структуры и термодинамических свойств, последних в зависимости от характера межмолекулярных сил, по - видимому, в общем, виде решена. Однако, несмотря на наличие большого числа теоретических работ, вопросы статистических теории явления переноса и упругих свойств жидкостей, в частности, растворов электролитов остаются открытыми.
Основным достижением неравновесной статистической теории вязкоупругих свойств жидкостей является определение коэффициентов вязкости и модулей упругости в двух предельных случаях- медленных и быстрых процессов в жидкостях. Существующие теории не описывают полную динамическую картину вязкоупругих свойств жидкостей и исходят из предположения об одном времени релаксации сдвиговой и объемной вязкости, что не является достаточным для описания процесса структурной релаксации. Недостаточно полно исследованы динамические свойства жидкостей в дисперсионной области и не проводился последовательный учет релаксационных процессов.
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА /X.. Петербург
20OVPK
Отсутствуют результаты исследования частотной дисперсии упругих модулей жидкостей в широком диапазоне частот, а также вопрос об асимптотическом поведении их при низких и высоких частотах.
Целью работы является теоретическое исследование коэффициентов вязкости и модулей упругости в растворах электролитов с учетом вкладов различных релаксационных процессов, главным образом структурной релаксации, на основе молекулярной кинетической представлений. Это позволило решение следующих задач:
получение уравнения для бинарной плотности в конфигурационной пространстве с учетом внешнего электрического поля на основе кинетического уравнение для двухчастичной функции распределения в суперпозиционном приближений;
вывод уравнений обобщенной гидродинамики для растворов электролитов, когда коэффициенты переноса определятся микроскопически;
получение аналитических выражений для динамических коэффициентов объемной и сдвиговой вязкости, а также соответствующих им модулей упругости в растворах электролитов;
изучения механизма процесса структурной релаксации в растворах электролитов и его вклада в частотно-зависящие коэффициентов вязкости и модулей упругости;
исследование дисперсии скорости и поглощения звука, а также спектра акустических мод в растворах электролитов в широком диапазоне частот.
Научная новизна работы. Развита молекулярной теории вязко-упругих свойств растворах электролитов с наиболее полным учетом и последовательным анализом механизма протекающих в них релаксационных процессов. Впервые рассматривается вклад процесса структурной релаксации в вязкоупругие свойства растворов электролитов. Полученные динамические выражения как для коэффициентов сдвиговой rjs(co) и объемной T]v(co) вязкости, так и для сдвигового ju(a>) и объемного К(а>) модулей упругости, которые выражаются через молекулярные параметры среды, являются более общими и учитывают вклад процесса перестройки структуры раствора в широком диапазоне частот. Установлено, что при низких частотах объемный модуль упругости стремится к своему адиабатическому значению Ks, а сдвиговый модуль упругости к нулю по закону а^2, в то время как коэффициенты объемной и сдвиговой вязкости стремятся к своим статическим выражениям как линейные функции сош. В высокочастотном пределе мо-
дули упругости не зависят от частоты, а коэффициенты вязкости затухают по закону со~1. Показано, что скорость звука и коэффициент поглощения на длину волны в растворах электролитов при низких частотах содержат частотно-зависящие члены, пропорциональные а?/2, а при высоких частотах не зависят от частоты. Найдены выражения для частотных спектров продольной и сдвиговой акустических мод. Показано, что частоты и затухание продольной акустической моды в растворах электролитов в гидродинамическом режиме являются неаналитическими функциями волновых чисел, что обусловлено взаимодействием коллективных мод.
Практическая и теоретическая значимость. Полученные выражения для динамических кинетических коэффициентов вязкости и модулей упругости позволяют выявить природу теплового движения структурных единиц раствора и изучить изменение структуры растворов электролитов; описать дисперсию скорости и поглощения звука в заданном диапазоне частот; использовать эти коэффициенты для обработки экспериментальных данных по вязкоупругим свойствам растворов, а также расчета последних в широком интервале изменения концентрации, плотности, температуры и частоты. Результаты исследования могут быть использованы для объяснения причин расхождений теорий с экспериментом.
Апробация работы: Основные результаты исследований по теме диссертации были представлены и доложены на Международной конференции «Современные проблемы теории мягкой материи», (2000г), г.Львов, Украина; Республиканской научно - теоретической конференции ППС ТГНУ, посвященной «1100 летаю государства Сомони-дов», (2000г.), Душанбе; Международной конференции «Физика конденсированных систем», (2001г.), Душанбе; Международной научно-практической конференции «16 сессия Шурой Оли Республики Таджикистан (12 созыва) и ее историческое значение в развитии науки и образования, (2002г.), Душанбе; Республиканской конференции «Физико-химические свойствам конденсированных систем - (ФХСКС)», (2003г.), Душанбе; П-ой Международной конференции «Физика жидкого состояния: современные проблемы - PLM MP», (2003г.), Киев, Украина.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ: в виде 5 научных статьей и 6 тезисов докладов в различных периодических изданиях и журналах.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Получены уравнения для бинарной плотности при наличии внешнего электрического поле на основе кинетического уравнения для двухчастичной функции распределения в суперпозиционном приближений.
-
Вывод уравнений обобщенной гидродинамики, описывающих неравновесные процессы в растворах электролитов.
-
Получение динамических коэффициентов объемной и сдвиговой вязкости, а также соответствующих им модулей упругости в растворах электролитов. Показано, что при низких частотах модули упругости имеют асимптотику а>3/2, а коэффициенты объемной и сдвиговой вязкости стремятся к своим статическим выражениям как линейные функции й>1/2; в высокочастотном режиме модули упругости не зависят от частоты, в то время как кинетические коэффициенты затухают по закону со'1.
-
Численные расчет t]s(co), tjv(co), fi(a>) и Кг(оз) для водного раствора NaCl, при определенном выборе модела раствора в приближении осмоса, а также исследование их зависимости от концентраций, плотности и температуры в широком диапазоне изменения частоты. Обнаружение широкой области частотной дисперсии этих коэффициентов и модулей упругости, обусловленное в основном вкладом структурной релаксации.
-
Исследование частотной дисперсии скорости и коэффициента поглощения звуковых волн, а также спектра акустических коллективных колебаний в растворах электролитов в широком интервале изменения термодинамических параметров состояния и частоты, и их асимптотическое поведение при низких и высоких частотах.
-
Численный расчет скорости С (со) и коэффициента поглощения а(т) для водного раствора NaCl, а также построен графики частотной и концентрационной зависимости акустических параметров, в широком интервале изменения концентрации, плотности, температуры и частот.
Личный вклад автора. Полученные аналитические выражения для динамических коэффициентов сдвиговой и объемной вязкости, скорости и коэффициента поглощения звуковых волн, спектры акустических коллективных колебаний в растворах электролитов, а также проведенные численные расчеты на основе этих выражений принадлежать автору.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Основное содержание изложено на 115 страниц машинописного текста, в том числе 25 рисунков, 3 таблиц и 143 библиографических ссылок.
