Термоэлектрокинетический эффект в вязкой электропроводящей жидкости

• Автор: Кузнецов, Денис Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Елец
• Количество страниц: 142 с. : ил.

Введение
Актуальность работы. В физике конденсированного состояния существенное место занимают исследования явлений переноса, включая перекрестные явления, происходящие под действием двух термодинамических сил. Примером могут быть термоэлектрические явления. В отличие от материалов для традиционных термоэлектрических преобразователей энергии (обычно рассматриваемых в физике конденсированного состояния), в которых используются твердые материалы, предлагается изучение термоэлектрокинети-ческого эффекта в электропроводящей жидкости с возможностью не только теплопереноса, но и массоиереноса. Традиционно в термоэлектричестве используются среды с заранее созданной статической неоднородностью, характер которой сохраняется при наложении градиента температуры. Типичным примером являются кристаллы полупроводниковых термоэлектрических материалов, легированных донорными или акцепторными примесями для получения соответственно пир- ветвей термоэлементов. В данном исследовании создается динамическая неоднородность в растворах ионных соединений. Исследуемые в физике перекрестные явления возникают, как правило, при наличии двух термодинамических сил (термоэлектрические явления, элек-трокинетические, механокалорические и др.). В данной работе изучаемый эффект возникает в вязкой электропроводящей жидкости при переносе массы и электрического заряда при наличии градиента температуры, то есть при действии трех термодинамических сил. Перекрестными явлениями будут:
- перенос массы, обусловленный наличием одновременно градиента температуры и переноса электрического заряда;
- перенос внутренней энергии, обусловленный наличием одновременно переноса массы и переноса электрического заряда;
- перенос электрического заряда, обусловленный одновременно наличием переноса массы и переноса внутренней энергии (наличием градиента температуры). Новый класс перечисленных явлений впервые был предсказан

и термоэлектрокинетическая ЭДС наблюдалась в лаборатории полуметаллов РГГГУ им. А.И. Герцена.
Для теоретического описания термоэлектрокинетического эффекта уравнения, описывающие перенос электрического заряда и теплоты
Ё = pjc + agradT, je= аЁ + acrgradT , необходимо дополнить уравнениями, описывающими перенос массы и теплоты при действии градиента температуры и наличии динамических процессов
—+ (vV)v= — ——grad P + vV2v, v
dt p p p
дТ , к
t- v grad T = aV T, a
dt cPp
включив в них слагаемые, описывающие новые перекрестные явления.
Надежное измерение термоэлектрокинетической ЭДС, экспериментальное установление основных закономерностей термоэлектрокинетического эффекта необходимо для его количественного описания на основе кинетической теории.
Принципиально важной является возможность протекания термоэлек-трокинетических явлений, когда неоднородность среды формируется как са-моорганизованная структура в сильно неравновесных условиях, когда в первоначально однородной среде формируется самоорганизующийся термоэлемент. При этом естественно не ограничиваться твердым состоянием вещества. К настоящему времени можно считать наиболее исследованными кинетические фазовые переходы в существенно неравновесных условиях в жидких средах. В работе исследуются процессы разделения систем ионов с электрическими зарядами противоположных знаков в водных растворах ионных соединений при действии теплопереноса и массопереноса. Представляет также интерес плазменное состояние, как наиболее распространенное в природе.
Изучение закономерностей возникновения и протекания термоэлектрокинетической ЭДС в электропроводящих жидкостях представляет самостоятельный интерес и является предметом исследования данной работы. Таким

образом, для экспериментального исследования нового термоэлектрокинети-ческого эффекта, как перекрестного явления при наличии переноса заряда, массы и при наложении градиента температуры, становится ясным выбор объекта исследований. Это разбавленные водные растворы электролитов, так как законы, которым они подчиняются, наиболее просты. Это - предельные законы, которые выполняются тем точнее, чем более разбавлен раствор.
Целью данной работы является экспериментальное исследование тер-моэлектрокинетического эффекта, возникающего в органических и неорганических электропроводящих жидкостях, установление основных закономерностей термоэлектрокинетического эффекта в жидких электролитах при различных внешних воздействиях.
В Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать методику исследования и экспериментальную установку для наблюдения термоэлектрокинетического эффекта и измерения термо-электрокинетической ЭДС.
2. Осуществить выбор составов водных растворов ионных соединений, оптимальных для наблюдения термоэлектрокинетического эффекта и измерения термоэлектрокинетической ЭДС.
3. Исследовать сопутствующие эффекты (электрохимический, термоэлектрический, электрокинетический), минимизировать или исключить их влияние на величину термоэлектрокинетической ЭДС для обеспечения надежного ее измерения.
4. Установить факторы, определяющие знак термоэлектрокинетической ЭДС в водных растворах электролитов.
5. Получить зависимости термоэлектрокинетической ЭДС от скорости течения и концентрации электролита.
6. Исследовать влияние величины и направления градиента температуры на величину термоэлектрокинетической ЭДС.
значении электрического тока. Приравнивая нулю первое уравнение (1.68), найдём выражение для потенциала течения
Ток переноса это электрический ток, приходящийся на единицу потока массы при нулевой внешней разности потенциалов. По аналогии с предыдущими выражениями найдём
Сопоставив последние выражения и учтя, что Ьп = Ь2], несложно найти соотношения, связывающие в общем виде электрические и кинетические явления [8]
Основными выводам, которые следуют из теории Онзагера, представляющими интерес для данной работы, являются следующие:
При действии двух или более термодинамических сил в термодинамической системе формируются как сопряженные, так и перекрестные вклады в кинетические явления.
Перекрестные вклады в кинетические явления характеризуются коэффициентами, ПОДЧИНЯЮЩИМИСЯ условиям симметрии Ь]2 = ь21.
Именно на основе теории Онзагера впервые были сделаны выводы о формировании в вязкой электропроводящей среде при действии трех термодинамических сил нового класса явлений, названных термоэлектрокинетиче-скими [35-39], включающих:
- перенос массы, обусловленный наличием одновременно градиента температуры и переносом электрического заряда;
- перенос внутренней энергии, обусловленный наличием одновременно переноса массы и переносом электрического заряда;
(1-69)
(1.70)
(1.71)