Введение к работе
Актуальность темы. Исследование теплопроводности жидкостей представляет большой практический и научный интерес. Данные по теплопроводности, являясь фундаментальными справочными величинами, необходимы при теплотехнических расчетах различных физико-химических процессов. Кроме того, знание теплопроводности способствует развитию общей теории жидкого состояния, одним из основных вопросов которой является вопрос о характере теплового движения молекул жидкости. В настоящее время накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал по теплопроводности чистых жидкостей; достаточно активно изучались смеси различных жидкостей, проводились исследования теплопроводности водных растворов электролитов. В последние годы обнаружился интерес к изучению теплопроводности неводных растворов электролитов.
Неводные растворы индивидуальных электролитов широко используются в электротехнике, силикатной, стекольной, химической, металлургической промышленности, в медицине и ядерных технологиях. Уровень развития промышленности характеризуется не только объемом производства и ассортиментом выпускаемой продукции, но и показателями её качества. Показателями качества продукции в числе других технических характеристик являются и их теплофизические и термодинамические свойства.
Для совершенствования и оптимизации технологических процессов необходимы научно обоснованные инженерные расчеты, которые нуждаются в информации о теплофизических и термодинамических свойствах рабочего вещества в широкой области изменения параметров состояния. Использование ориентировочных или даже приближенных данных по свойствам веществ в инженерных расчетах приводит к существенному снижению их технико-экономических показателей, так как многие технологические процессы в промышленности осуществляются при подводе и отводе теплоты.
Растворы электролитов являются удобной моделью для исследования и моделирования различных свойств систем зарядов, поскольку у них имеется возможность изменения внешних параметров, таких как температура и концентрация, в широком диапазоне изменения этих величин. В отличие от газовой плазмы, достаточно
неустойчивой, и твердотельной плазмы, где изменение концентрации носителей тока ограничено, растворы электролитов позволяют моделировать различные процессы диссипативных явлений (электропроводность, диффузия, вязкость, теплопроводность) в рамках плазмоподобной теории как основных параметров гидродинамики. Они являются весьма удобными объектами для исследования систем зарядов в целом.
Растворы электролитов в органических растворителях по своим свойствам (диэлектрической постоянной, дипольного момента, энергии межмолекулярных взаимодействий) значительно отличаются от таковых в воде. Они представляют значительный интерес для развития теории процессов переноса энергии в растворах и имеют большое актуальное значение в энергетике, химической промышленности и т.д.
Цель и задачи исследований. Целью работы является применение модифицированной теоретической модели оценки коэффициента теплопроводности неводных растворов электролитов в широком диапазоне изменения концентраций и температур с учетом характеристик отдельных сольватированных ионов и свойств растворителя в приближении ионной плазмы и установление закономерностей изменения теплопроводности неводных растворов электролитов в зависимости от состава и температуры.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
- модифицировать и применить теоретическую модель для рас
чета коэффициента теплопроводности неводных растворов индиви
дуальных электролитов, основанной на использовании:
а) подвижности в рамках плазмоподобного состояния ионов в
растворах электролитов с учетом силы сопротивления среды;
б) сольватных чисел, масс и радиусов сольватированных ионов в
неводных растворах на основе электростатической концепции ион-
дипольного взаимодействия;
в) параметра экранирования сплошной конденсированной фазы
— затухания колебаний, вызванных процессом диссоциация-
ассоциация сольватированных ионов;
- получить экспериментальные значения коэффициента тепло
проводности неводных растворов индивидуальных электролитов в
диапазоне температур 288... 323 К и концентраций 0,0001... 1 моль/л;
исследовать зависимость отдельных характеристик сольватированных ионов от свойств растворителя;
установить закономерности изменения концентрационной и температурной зависимостей теплопроводности неводных растворов индивидуальных электролитов.
оценить влияние ионов электролита и различных растворителей на теплопроводность неводных растворов индивидуальных электролитов.
Методы исследования. Для решения приведенных выше задач потребовалось использование методов квантовой механики, термодинамики, электродинамики, гидродинамики с привлечением физико-химических параметров ионов (кристаллохимических радиусов ионов, их масс), а также свойств растворителей (диэлектрических проницаемостей, энергии межмолекулярных взаимодействий в растворителях и т.д.) в приближении ионной плазмы.
С целью сравнения и подтверждения теоретически оцененных значений получены экспериментальные значения коэффициента теплопроводности неводных растворов индивидуальных электролитов на ранее разработанной и апробированной установке для водных растворов индивидуальных и смешанных электролитов.
Научная новизна работы. Показана применимость модернизированной теоретической модели оценки коэффициента теплопроводности неводных растворов индивидуальных электролитов с учетом колебательного режима процесса диссоциация-ассоциация, силы сопротивления среды сольватированным ионам и расстояния, на котором возмущение от колебаний сольватной оболочки экранируется сплошной диэлектрической средой, в большом диапазоне концентраций и температур.
Впервые по теоретической модели определены теплопроводности неводных растворов индивидуальных электролитов 1-І, II-I, I-II (например, KBr, Na2SC>4, MgCb) в широком интервале изменения концентраций и температур на основе расчетных значений сольват-ных чисел, масс и радиусов сольватированных ионов в спиртовых растворах.
Установлены закономерности изменения концентрационной и температурной зависимостей теплопроводности растворов индивидуальных электролитов в нормальных спиртах.
Практическая значимость. Впервые полученные теоретические и экспериментальные данные по теплопроводности неводных
растворов индивидуальных электролитов 1-І, II-I, I-II могут быть использованы:
при расчетах процессов и параметров оборудования в различных отраслях науки и техники - энергетике, химической, нефтеперерабатывающей промышленности и т.п.;
для пополнения банков данных и баз данных о теплопроводности неводных растворов электролитов;
для прогнозных оценок теплопроводности электролитов в органических растворителях.
Результаты исследований свойств электролитных систем и установленные закономерности позволят целенаправленно подбирать электролиты и растворители для приготовления жидкофазных материалов и применения их в технологическом контроле различных химических предприятий, а также для расчета параметров тепло-проводящих узлов, агрегатов и отдельных конструкций.
Научные положения, выносимые на защиту.
Модифицированная теоретическая модель оценки теплопроводности неводных растворов электролитов в широком диапазоне изменения концентраций и температур, в базис которой положены характерные свойства и параметры органических растворителей.
Применимость теоретической модели к спиртовым растворам электролитов.
Результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований теплопроводности неводных растворов солей щелочных и щелочноземельных металлов и иона аммония в диапазоне температур 288... 323 К и концентраций 0,0001... 1 моль/л.
Обоснование различного влияния свойств растворителей (диэлектрической проницаемости, энергии межмолекулярных взаимодействий, радиуса молекулы) на теплопроводность электролитов.
Личный вклад:
Разработка, проектирование и создание экспериментальных установок для измерения теплопроводности твердых материалов.
Расчетно-теоретические исследования теплопроводности неводных растворов электролитов.
Экспериментальное определение теплопроводности неводных растворов электролитов.
Достоверность научных положений, результатов и выводов обеспечивается согласованностью теоретических результатов теплопроводности неводных растворов индивидуальных электролитов
с собственными экспериментальными данными. Результаты измерений обрабатывались с применением известных методов математической статистики.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на международных и региональных конференциях: Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам» (Вологда, 2008 г.); Международная научно-техническая конференция «Наука и образование - 2008» (г. Мурманск, 2008 г.); IV Международный форум «Актуальные проблемы современной науки» (г. Самара, 2008, 2009 гг.); Международная научно-практическая Интернет - конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (г. Одесса, 2009 г.); XVI Международная молодежная конференция «Ломоносов 2009» (г. Москва, 2009 г.); Международная научная конференция (Доминиканская Республика, 2011 г.); Научно-практические конференции преподавателей, научных сотрудников и аспирантов ВСГТУ (г. Улан-Удэ, 2008 - 2011 гг.).
Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 19 работ, из них 2 статьи в реферируемых журналах, и получены 4 патента на полезную модель.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка использованной литературы, включающего 139 наименований. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, иллюстрирована 21 рисунком, 30 таблицами и 3 приложениями.
