Введение к работе
Актуальность работы. Реальные фазовые переходи первого рода обычно протекают с отклонением от условий термодинамического равновесия и, как правило, сопровождайте.! возникновением мета-стзбипьных фаз. лороао известными примерами таких фаз являются гересыщенный пар, перегретая и переохлажденная жидкость, пересыщенный раствор. С реализацией метастабильных состояний связаны гистерезпеные явления в ферромагнетиках и сегнетоэлектриках, магнитный перегрев и переохлаждение сверхпроводников. Круг технологий л технических устройств, в которых протекают или сознательно попользуются неравновесные фазовые переходы, очень сирок. Сюда относя". ;я химико-металлургические способы получения и очистки веществ, теплоэнергетические и теплотехнические машины и аппараты, электротехнические устройства с магнитны>"' и сверхпроводящими элементами. Исследование метастабильных состояний представляет большой интерес а в связи с созданием теории фазовых превращений. В этом плане необходимо изучение фазовых диаграмм, разработка способов расчета свойств метастабильных фаз, постановка экспериментов по кинетике их распада, теоретическое рассмотрение на этой основе конкретных процессов, протекающих с их участием. Отдельно может быть поставлен вопрос о границах устойчивости метастабильных фаз. Важный аспект этой проблемы -разработка строгих способов расчета спинодали и ее оценка из экспериментальных данных. Приведенный перечень научных задач и технических приложений определя^-^ актуальность исследований в области физики метает хбильных состояний веществ. Излагаемая ниже работа выполнялась в соответствии с координационными планами научного'совета АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика", отдельные ее этапы входили в программу ГКНТ 0.14.02.
. Основная проблема состояла в выяснении характера продолжения термодинамических свойств в метастабильную область, изучении кинетики распада метастабильных фаз, выявлении общих закономерностей и различий, свойственных фазовым превращениям в существенно раз чичающихся системах. Разрешение основной проблемы потребовало адекватного решения следующих конкретных задач.
І. Газ] аботка и рсшизация статистических методов изучения кинетики распада мотасгабнльмых ^аз для системы жидкость - пар
и нормальный металл - сверхпроводник (первого рода).-
-
Создание методик экспериментального исследования термодинамических свойств перегретых жидкостей и наработка экспериментального материала,
-
Обобщение экспериментальных данных, построение алгоритмов описания и экстраполяции в метастабильную область термодинамических и кинетических свойств на базе общих соотношений термодинамики.
-
Сопоставление поведения метастабильных фаз в системе жидкость - пар и нормальный металл - сверхпроводник.
Научнчя новизна. В работах автора впервые:
предложен и реализован метод измерения p,V,T - величин для перегретых жидкостей, для нескольких жидкостей проведены Р.1/.Т-измерения, показана линейность продолжения р,Т - иэох^р в метастабильную область;
на основе экспериментального материала сформулированы методики построения уравнений состояния, определения границы устойчивости (спинодали) жидкого состояния, расчета других термодинамических свойств перегретых жидкостей;
получен большой экспериментальный материал о границе достижимого перегрева жидкостей в широком интервале давлений, установлено хорошее согласие экспериментальных данных и классической теории гомогенного зародышеобразованин;
изучена кинетика вскипания перегретого жидкого гелия, выявлены характерные для него особенности вскипания;
экспериментально обнаружен новый эффект, позволяющий изменять с помощью ультразвука среднее время жизни перегретой жидкости р пределах от зчачения, соответствующего естественнкм условиям, до нуля;
предложен новый способ экспериментального исследования разового перехода нормальный металл - сверхпроводник, систематически изучена кинетика распада метастабильных фаз в этой системе.
Наууная и практическая ценность. Проведенные экспериментальные исследования позволяют сформулировать неизвестные ранее методики продолжения термодинамических свойств жидкостей в метастабильную область» подтверждают высокую точность кинетической теории гомогенного аароды-тобразования и в совокупности являются основой для практических расчетов технологических процессов, протекающих с участием перегретых жидкостей. Данные о кинетике
вскипания перегретого жидкого гелия частично расшифровывают механизм "приработки" стенок экспериментальной ячейки, обнаруживают необходимость уточнения теории, описывающей зародыыеобразова-ние в кидкам гелии с учетом "электронных пузырьков". Они имеют практическую ценность в связи с надежным и безопасным криоотати-ровакием сверхпроводникових магнитных систем, с созданием и эксплуатацией гелиевых пузырьковых камор. Результаты изучения вскипания уілсрешю перегретых жидкостей в ультразвуковом поле дают возможность предложить простой способ регулирования величины перегрева жидкостей, а данные об образовании зародышевых пузырьков на стенках сосуда представляют интерес для теоретического описания кипения и для проектирования теплообменных аппаратов. Исследования распада глетастабильных фаз в системе нормальный металл - сверхпроводник показывают, что, как и в системе кпд-кость - пар, ота процессы являются случайными, характеризуются экспоненциальными функциями распределения, из этих данных могут быть определены границы устойчивости метаотабильных фаз. Вместе с тем в сверхпроводниках на кинетику распада существенное влияние оказывает двумерное смешанное состояние и метаотабплышо промежуточные состояния. В практическом плане найдекные закономерности полезны при проектировании токоограничиваздіх v. коммутирующее устройств с сверхпроводииковьили экранами. Различные части этой работы выполнялись в соответствии с Генеральным договором с прокзводетвеїшьім объединением "Уралэлектротнжмаш", договорами о творческом сотрудничестве с СибШШЭнергетшш, ІПІО "Гелий-Май". Б приложении к диссертации имеются копии дскуглоитов о практическом использовании результатов работы. Результаты исследований включена з программу курса "Физика жидкостей", читаемого па физико-техническом факультете Уральского политехнического института им.С.1,1.Кирова, и аспирантского спецкурса "Теплофизика и молекулярная физика". Они используются советскими и зарубежными учеными, о чем свидетельствуют ссылки на работы автора. Па защиту выносятся следующие результаты и положения.
- Методшш экспериментального изучения термодинамических свойств
nepoi'pevux' жидкостей и экспериментальные данные, нодучешие с
ИХ П0М01ДЫ).
- .Утверждение о непрерывности р,Т - изохор на линии насыщения
и близ ос їй их і; прямым лишил: Ті мо'іаотабпльной области, иополі—
Г;
зованио этого результата для описания теплофизических свойств перегретых жидкостей.
Способи определения сшшодали по термическим и калорическим данным и методи расчета теплофизических свойств перегретых жидкостей с привязкой к сшшодали.
Формулы для точного расчета разности давлений в критическом зародыше и в материнской фазе применительно к перегретой жидкости
и пересыщенному пару.
Результаты экспериментального определешш границы достижимого перегрева жвдкостей и утверждение о высокой точности классической теории гомогенного зародышеобразования.
Особенности зародашообразования в перегретом жидком гелии -отсутствие приработки стенки сосуда и роста среднего времени жизни до близкой окрестности линии насыщения.
Способ регулирования устойчивости умеренно перегретой жидкости облучением ультразвуком.
Способ экспериментального изучения кинетики распада метастабилышх фаз в системе ІП.1 - СП первого рода путем измерений сред-' него времени их жизни.
Утверждение о случайном характере распада метастабилышх фаз при переходе Ш - СП, возможности описания гистограмм суммой двух экспоненциальных распределений и монотонном убывании средних времен жизни с углублением в м^гастабильную область.
Экспериментально установленные зависимости средних времен жизни метастабилышх фаз в сверхпроводниках от внешних факторов.
Качественный вид диаграмм состояния метастабилышх фаз системы Ш - СП, близость границ устойчивости, найденных из экспериментальных данных по кинетике и по теории Гинзбурга-Ландау.
Личный вклад автора. В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором самостоятельно и совместно с 7 аспирантами, соискателями и сотрудниками, у которых он был научным руководителем. Автору принадлежит постановка задач, разработка методики экспериментов к расчетов, интерпретация результатов. Автор принимал непосредственное участие в проектировании и создании экспериментальных установок, проведении измерений и их обработке.
Апробация работы. Отдельные этапы работы доложены и получили одобрение на следующих всесоюзных и международных конференциях, симпозиумах, семинарах: Отраслевая научно-техническая кон-
ференция по проблемам прикладной термодинамики (Одесса, 1962); Всесоюзная конференция по теплофизическим свойствам веществ при високій: температурах (Новосибирск, IS66); Всесоюзная конференция по поверхностным явлениям в расплавах (Свердловск, I96G); Всесоюзная теплофизичеокая конференция по свойствагл веществ при высоких температурах (Одесса, 1971); Конференция по теплообмену Американского института инженеров-химиков л Американского общества инженеров-механиков (Солт-Лэйк-Сити, США, 1977); 21 Сибирский теплофизический семинар (Новосибирск, 1978); 6,7 Всесоюзные конференции по теплофизическим свойствам веществ (Минск, 1978; Ташкент, 1982); 8 симпозиум по теплофизическим свойствам (Геіісбург, С11!Л, 1981); 8,9 Квропейскке конференции по теплофизическим свойствам (Баден-Баден, ФРГ, 1982; Манчестер, Англия, 1984); 3 конференция по термодинамике органических соединений (Горький, 1982); Всесоюзное совещание по автоматизации теплофл-зичееккх измерений (Менделееве, 1983); 2 Всесоюзная конференция но техническому использованию сверхпроводимости (Ленша'рад,1983); 7 Всесоюзная конференция по тепломассообмену (Минск, 1984); 3 Всесоюзное совецание "Сверхпроводниковые устройства энергетического назначения (Москва, 1984); Бое сошный симпозиум "Акустичос-кая кавитация и применение ультразвука а химической технологии" (Славск, 1985); Всесоюзное совещание по теплофизике метастабкль-ных жидкостей в связи с явлениями кипения и кристаллизации (Свердловск, 1985); 9 Всесоюзная конференция по динамике разреженных газов (Сгердловсн, 1987); 4 Всесоюзная конференция по криогенной технике (Москва, IS8Y); 9 Международная конференция "Крпогеника-88" (Усти над Лабем, ЧССР, 1988); 2 Всесоюзная кон- ференция "Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации" (Рига, 1988).
Публикации. Матернали диссертации опубликованы в одной монографии (переиздана в 1988 г. за рубежом), 62 статьях, 15 тезисах докладов и трудах всесоюзных и международных конференций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введший, семи глав, заключения. Она содержит 219 страниц основного текста, [)2 рисунка, ',Уг таблица, список использованной литературу из 361 наименования и 73 страницы приложения с результатагли экспериментов и расчетов.