Исследование теплофизических параметров граничных слоев полярных жидкостей акустоэлектронными методами

• Автор: Гулгенов, Чингис Жаргалович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Улан-Удэ
• Количество страниц: 110 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Анализ физических аспектов акустоэлектронного исследования граничных слоев жидкостей
1.1. Формирование граничного слоя полярной жидкости на поверхности твердого
тела
1.2. Поверхностные акустические волны как инструмент исследования сорбционных процессов
1.3. Влияние температуры на адсорбцию пара полярной жидкости и параметры упругих поверхностных волн
1.4. Взаимодействие поверхностных акустических волн со слоем жидкости на поверхности твердого тела
1.5. Связь между акустическими параметрами и теплофизическими свойствами жидкостей
1.6. Выводы
Глава 2. Влияние теплофизических свойств жидкости в граничной фазе на параметры поверхностных акустических волн
2.1. Скорость и затухание поверхностных акустических волн в системе тонкий
жидкий слой — пьезоэлектрическое полупространство
2.2. Изменение параметров адсорбционного слоя и жидкости в граничной фазе при вариациях температуры
2.3. Влияние температуры на параметры поверхностных акустических волн в слоистой системе
2.4. Температурный коэффициент времени задержки в системе пьезоэлектрик -жидкий адсорбционный сдой
2.5. Определение теплофизических параметров граничной жидкости на основе измерений скорости звука
2.6. Выводы
Глава 3. Экспериментальная система и методы измерения основных
акустических параметров
3.1. Методы регистрации изменения затухания и скорости поверхностных акустических волн
3.2. Способ получения необходимого давления пара исследуемой полярной
жидкости
3.3. Экспериментальная установка и измерительная ячейка
3.4. Определение толщины адсорбционного слоя жидкости
3.5. Выводы
Глава 4. Экспериментальное изучение параметров адсорбционного слоя и теплофизических свойств воды в граничной фазе
4.1. Изменение времени задержки при вариациях температуры в системе граничный слой воды — ниобат лития
4.2. Затухание поверхностной акустической волны в системе граничный слой воды
- ниобат лития
4.3. Определение изотерм адсорбции полярных жидкостей акустоэлектронным методом
4.4. Температурный коэффициент времени задержки акустоэлектронного
устройства во влажной газовой среде
4.5. Корреляция температуры минимального значения изменения времени задержки
и точки росы
4.6. Исследование теплового расширения адсорбированной воды
4.7. Выводы
Заключение
Список литературы
Введение
Современная база знаний по тепло физическим свойствам жидкостей построена на многочисленных экспериментальных данных и широко используется в науке, технике и различных промышленных технологиях. Структура и физические свойства жидкостей в граничном слое, прилегающем к твердой поверхности, отличаются от структуры и свойств объемной жидкости. Структурные изменения в наибольшей степени проявляются в полярных жидкостях [1—5]. В газовой среде, содержащей пар полярной жидкости, на поверхности твердого тела образуется наноразмерный адсорбционный граничный слой. Жидкость в граничном слое удобно рассматривать как особую граничную фазу [1].
Потребности промышленности в базе данных по теплофизическим параметрам с каждым годом возрастают. Накоплена достаточно обширная информация по теплофизическим параметрам жидкостей в объемной фазе, для жидкостей в граничной фазе имеются только немногочисленные разрозненные сведения [6-11]. Отсутствие единой теории жидкого состояния не позволяет с приемлемой точностью определять термодинамические свойства жидкостей, как в объемной, так и в граничной фазах. Теоретический анализ теплофизических параметров граничных слоев жидкостей требует дополнительных приближений и допущений, и, соответственно, возникает потребность в подробных экспериментальных результатах. Поэтому теоретическое и экспериментальное исследование теплофизических параметров граничных слоев жидкостей является актуальной задачей.
Экспериментальное исследование теплофизических параметров граничных слоев жидкостей затруднено в силу высоких требований предъявляемых к постановке эксперимента и методам их измерения. Важным инструментом исследования граничных слоев являются поверхностные акустические волны (ПАВ), которые чувствительны к изменению акустических, электро- и тепло физических параметров слоистых систем [12— 20]. Поэтому большое значение приобретает создание чувствительных
акустоэлектронных методов изучения теплофизических свойств полярных жидкостей в граничной фазе и параметров адсорбционного слоя.
Основу АЭ методов исследования составляют волны рэлеевского типа - упругие возмущения, распространяющиеся вдоль плоской поверхности твердых тел (обычно пьезоэлектрических и пьезополупроводниковых кристаллов) в относительно тонком приповерхностном слое. Энергия поверхностных волн сосредоточена в слое толщиной порядка длины волны. В пьезоэлектрической подложке поверхностные акустические волны (ПАВ) рэлеевского типа сопровождаются переменными электрическими полями, проникающими как в слой, в котором распространяется волна, так и за его пределы. На скорость и затухание поверхностной волны влияет обмен энергией между акустической и электронной подсистемами в приповерхностном слое подложки и в пленках, сформированных на ее поверхности [21].
Исследование распространения акустических волн с учетом тепловых поверхностных явлений и процессов необходимо для лучшего понимания взаимосвязи акустических и теплофизических параметров слоистой системы [21, 22]. Кроме того, результаты исследования представляют практический интерес для акустоэлектроники.
Для исследования теплофизических параметров граничных слоев полярных жидкостей можно воспользоваться чувствительными методами измерения затухания и скорости ПАВ [23].
Целью работы является разработка акустоэлектронных методов исследования параметров граничных слоев полярных жидкостей и исследование теплофизических свойств воды в граничной фазе.
Поставленная цель определила необходимость решения следующих задач:
1. Анализ взаимодействия поверхностных акустических волн с тонким слоем жидкости на поверхности твердого тела. Выявление связи физических свойств жидкости в граничном слое с параметрами поверхностных акустических волн.

Р = (/г + (га)2 - (/г + (а)2 = Р 1 +
V Р ,
Подставим комплексные значения (2.2) в выражение (2.1). Учитывая, что а2 « 1 и Рк « 1 запишем уравнение (2.1) в виде:
Ak2qs - (к1 + э1)2 + 4(/га (дяА - 4) = у/г. +I
Ря Ре -Р
Выделим действительную и мнимую части данного уравнения
Яе | 4/е2дз-(/г2 + я2)2 =—кцк, (2.4)

1т 14Еа (9«А - 4 к)=~(2.5)

Действительная часть (2.4) дисперсионного уравнения аналогична уравнению (2.1) при условии Рк« 1. Мнимая часть (2.5) описывает затухание ПАВ в слоистой системе. Из мнимой части можно выразить коэффициент затухания а:
а Р/ кк
ря 2к2[дзА- Акдв )Р Рк
которое при условии к / к « 1 может быть преобразовано к виду
, к,а,к а= Рк'
Первый сомножитель в выражении (2.6) является параметром утечки у к вытекающей волны [48], в которую трансформируется волна Рэлея при нагружении поверхности звукопровода жидкостью (в нашем случае в чистом виде она возникает при к » кК). Согласно оценкам [49] параметр утечки определяется простым соотношением:
ук = ргиг/раиа.
Отождествление первого сомножителя (2.6) с параметром утечки существенно упрощает это выражение и позволяет записать уравнение для определения в компактной форме