Динамика и морфология неравновесной межфазной границы лед-вода

• Автор: Королев, Александр Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Тамбов
• Количество страниц: 142 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Проблема свободной границы и морфогенез неравновесных структур

Состояние дендритной проблемы

Задача Стефана

Морфологическая неустойчивость фронта кристаллизации. Образование боковых ветвей дендрита

Скейлинговые параметры дендритного роста

1.2 Экспериментальное тестирование теорий неравновесного роста кристалла 22 из расплава

1.3 Морфологические диаграммы возможных структур диффузионного роста

1.4 Электромагнитные явления при кристаллизации воды и водных растворов электролитов
Радиоизлучение при кристаллизации и разрушении диэлектриков
1.5 Постановка задачи исследования
ГЛАВА II. МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Объекты исследования
2.2 Методика экспериментального изучения кинетики и морфологии неравновесного роста льда в интервале переохлаждений воды 0.1 К< ДГ < 30 К
2.3 Методика измерения параметров собственной электромагнитной эмиссии
при кристаллизации разбавленных водных растворов электролитов
2.4 Обработка изображений
ГЛАВА III. МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГРАММА НЕРАВНОВЕСНЫХ ФОРМ КРИСТАЛЛОВ ЛЬДА В ОБЛАСТИ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЙ,
СООТВЕТСТВУЮЩЕЙ ГЕТЕРОГЕННОМУ МЕХАНИЗМУ ЗАРОЖДЕНИЯ ЛЬДА В ВОДЕ
3.1 Неравновесные морфологии кристаллов льда, растущих в переохлажденной воде
3.2 Морфологическая диаграмма о,-АТ
Зависимость подвижности межфазной границы лед-вода от движущей силы кристаллизации
3.3 Морфологическая диаграмма 5-Д Т
3.4 Сравнение экспериментальных данных с теориями диффузионного роста
3.5 Сравнение экспериментальных данных с «универсальным законом дендритного роста»
3.6 Выводы
ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЕТВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ ЛЬДА В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОГО РОСТА В ПЕРЕОХЛАЖДЕННОЙ ВОДЕ
4.1 Исследование особенностей динамики и геометрии дендритного роста льда
4.1.1 Динамика и геометрия диффузионной неустойчивости межфазной границы

4.1.2 Влияние различных механизмов теплоотдачи на морфологическую
неустойчивость фазовой границы лед-вода
4.1.3 Эволюция формы и геометрических параметров дендритов
Контур вершины дендрита
Фрактальный анализ
4.1.4 Механизмы образования боковых ветвей дендритов льда
Динамика образования боковых ветвей
Частота образования боковых ветвей
4.2 Экспериментальное исследование неустойчивостей межфазной границы
лед-вода в кинетическом режиме кристаллизации
4.2.1 Игольчатые ветки
4.2.2 Фрактальный анализ
4.2.3 Температурные зависимости основных параметров неравновесных
структур льда, растущих в кинетическом режиме
4.2.4 Возможные механизмы ветвления игольчатых веток
4.2.5 Морфологический переход между компактной веткой и пластиной
4.2.6 Кинетика и геометрия роста ледяной пластины в сильно
переохлажденной воде
4.3 Измерение временной зависимости скорости лидирующего кончика
неравновесных структур роста
4.4 Выводы
ГЛАВА V. IN SITU ИССЛЕДОВАНИЕ СОБСТВЕННОГО
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ, ГЕНЕРИРУЕМОГО В ХОДЕ РОСТА ЛЬДА
5.1 Исследование взаимосвязи параметров ЭМЭ со структурой растущего льда
5.2 Исследование влияния концентрации примеси NaCI на амплитуду сигналов

5.3 Анализ механизма разделения зарядов при неравновесной кристаллизации
разбавленного водного раствора NaCI
5.4 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Одной из фундаментальных проблем современного естествознания является проблема понимания процессов формирования и самоорганизации структур в нелинейных неравновесных динамических системах. Дендритный рост кристалла из переохлажденного расплава недавно стал предметом внимания как яркий пример процесса, в котором неустойчивость простой (первоначально неравновесной и нелинейной) системы создает сложные и высокосгруктурированные новые формы. Такие формы возникают, например, в результате эволюции неустойчивостей при распространении фронтов диффузионного пламени, течении несмешиваемых жидкостей, диффузионной агрегации частиц, химической реакции и ударной ионизации в пористых средах, затвердевании переохлажденного расплава, разрушении твердых тел, пластическом сдвиге в кристаллах, росте минералов, переупаковке горных пород, росте популяций бактерий и т.д. В этом аспекте дендритный рост является типичным примером формирования структур в диссипативных системах. Дендритная кристаллизация обычно формулируется в рамках проблемы свободной границы и сводится к решению уравнения диффузии с граничными условиями на движущейся фазовой границе кристалл-расплав и на границах системы. Важной особенностью проблемы свободной границы, установленной с помощью ряда приближений, является множественность возможных решений. В то же время эксперимент показывает, что при заданном переохлаждении расплава реализуется только одно решение. Поэтому проблема свободной границы связана с проблемой отбора структур. В литературе обсуждаются несколько гипотетических критериев морфологического отбора (критерий маргинальной устойчивости, максимальной средней скорости фазовой границы, принцип максимума производства энтропии и т.д.), которые в ряде случаев позволяют рассчитать в диффузионном приближении морфологические диаграммы возможных структур неравновесного роста в фазовых плоскостях «переохлаждение - скорость роста» [1] или «переохлаждение - анизотропия поверхностной энергии фазовой границы» [2, 3]. Большое разнообразие наблюдаемых в природе неравновесных форм роста и отсутствие понимания фундаментальных принципов отбора структур стимулируют экспериментальные и

сопровождается весьма широкополосным электромагнитным излучением в диапазоне частот, по крайней мере, от 10'3 Гц до 10н Гц. Естественно предположить, что его природа связана с различными механизмами разделения зарядов. Многочисленные экспериментальные исследования [50] показали, что пара расплав-кристалл диэлектрика представляет собой динамический источник электродвижущей силы (э.д.с.), величина которой определяется составом расплава и скоростью кристаллизации.
Наиболее последовательная картина разделения зарядов при кристаллизации водных растворов дана в работах А.А. Чернова и др. [54-56]. Согласно [57] в начале затвердевания раствора бинарного электролита вблизи фазовой границы во льду формируется слой пространственного заряда одного знака вследствие разницы межфазных коэффициентов распределения катионов и анионов. Противоположный избыток заряда аккумулируется в жидкой фазе по другую сторону фазовой границы. Катионная и анионная примесь во льду затем нейтрализуется подвижными ионизационными дефектами ОН' и НзО+, которые образуются в результате термической диссоциации молекул НгО во льду. Нескомпенсированные ионизационные дефекты, оставшиеся после нейтрализации, двигаются под действием электрического поля к межфазной границе, сталкиваясь и нейтрализуя ионы раствора. Таким образом, слой пространственного заряда примеси следует за растущим фронтом, в то же время противоположно заряженный слой перемещается перед фронтом кристаллизации в жидкой фазе. Разность потенциалов между «обкладками» этого межфазового двойного электрического слоя и есть межфазная разность потенциалов, называемая обычно потенциалом замерзания. Теория Бронштейна - Чернова [57] качественно объясняет условия возникновения потенциала замерзания, его зависимость от содержания примеси и скорости плоского фронта кристаллизации в области 1-100 мкм/с. Кроме того, в [57] показано, что миграция собственных носителей заряда в электрическом поле межфазового двойного электрического слоя приводит к изменению pH раствора, оставшегося незамерзшим. Это изменение пропорционально логарифму отношения площади фазовой границы к объему незамерзшей воды. Химические реакции, вызывающие такие изменения pH, названные авторами этой статьи кристаллизационным гидролизом, могут, по