Складки на поверхности скоростей нуклеации в пересыщенном паре

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра общей физики

ОТЧЕТ

о курсовой работе

«СКЛАДКИ НА ПОВЕРХНОСТИ СКОРОСТЕЙ НУКЛЕАЦИИ В ПЕРЕСЫЩЕННОМ ПАРЕ»

Атомный практикум, 3 курс, группа 5315

Преподаватель атомного практикума

_________________

«»2008 г.

Научный руководитель

М. П. Анисимов

«»2008 г.

Новосибирск 2008

1.  Введение.

2.  Теория нуклеации пересыщенного пара.

3.  Экспериментальная установка.

4.  Результаты измерений.

5.  Обсуждение результатов.

6.  Выводы.

7.  Благодарности.

8.  Литература.

1.  Введение.

Процесс зарождения новой фазы – нуклеация – является предметом многочисленных теоретических и экспериментальных исследований. Именно с нуклеации начинаются процессы фазового перехода первого рода. Исключительно важна как фундаментальная сторона вопроса, связанная с кинетикой фазового перехода, так и практическая – необходимость создания инженерных методов расчета процессов образования новой фазы, потребность в которых испытывают многие отрасли науки и техники.

Образование облаков в атмосфере Земли и конденсация паров серной кислоты в процессе ее производства, образование смога над промышленными центрами, кипение, кристаллизация, полимеризация – все это является примерами процессов, начинающихся с нуклеации.

Видное место в изучении общей проблемы нуклеации занимает ее частный случай – нуклеация (конденсация) пара в объеме. В случае объемной конденсации фазовый переход протекает в таких условиях, которые относительно легко допускают идеализацию процесса. Поэтому наибольшие успехи в теоретических трактовках кинетики фазовых переходов получены, прежде всего, применительно к объемной нуклеации паров.

Классическая теория, созданная трудами Френкеля, Зельдовича, Беккера, Деринга [1-3], без сомнения является значительным шагом в развитии представлений о кинетике образования новой фазы, но существующие успехи и неудачи теории позволяют думать, что в ее аксиоматике содержатся значительные неточности. С точки зрения классической теории нуклеации, газ, в среде которого происходит нуклеация пара, не принимает участия в образовании зародышей новой фазы, а лишь служит средой, призванной для поддержания изотермичности процесса. Результаты последних исследований [4-7] по влиянию газа-носителя на процесс аэрозолеобразования позволяют предполагать необходимость учета присутствия второго компонента в критических зародышах новой фазы, однако, результаты работ [8-10], напротив, указывают на отсутствие влияния давления и вида газа-носителя, т.е. вопрос о его роли в процессе нуклеации пара остается не решенным.

Таким образом, остро ощущается необходимость проведения эксперимента в условиях, в которых влияние газа-носителя было бы очевидно. Например, проявление влияния критических параметров газа-носителя на процесс нуклеации позволит однозначно решить вопрос об участии его молекул в образовании зародышей новой фазы.

2.  Теория нуклеации пересыщенного пара.

Классическая теория нуклеации базируется на фундаментальных уравнениях термодинамики и физической кинетики. Большинство современных теорий основываются на классической модели Сциларда и Фаркаша, согласно которой пар состоит из одиночных молекул и молекулярных агрегатов различных размеров. При этом кластеры увеличивают свой размер за счёт присоединения единичных молекул.

где  - соответственно, мономер, димер и n-мер.

Кинетика этих процессов аналогична химической кинетике, когда кластеры каждого размера рассматриваются как индивидуальные химические соединения. Образование зародыша критического размера происходит при преодолении кластером энергетического барьера. Согласно термодинамике Гиббса, свободная энергия образования кластера:

 ,

где r- радиус зародыша, s- коэффициент поверхностного натяжения, k-константа Больцмана, Т – температура, S -пересыщение, равное отношению парциального давления пара к равновесному при данной температуре T.

В ненасыщенном и насыщенном паре работа образования молекулярного комплекса  постоянно возрастает с S<1 увеличением размера кластера. В пересыщенном паре S >1 часть комплексов достигает критического размера g*, при этом работа