Исследование гомогенной нуклеации перенасыщенного пара висмута

• Автор: Боровкова, Ольга Всеволодовна
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 113 с. : ил.

Содержание
Введение

1 Литературный обзор

1.1 Теория гомогенной нуклеации из пересыщенного пара

1.1.1 Классическая теория нуклеации

1.1.2 Теория межфазной поверхности Гиббса

1.1.3 Множитель Зельдовича

1.1.4 Формула для скорости нуклеации

1.1.5 Поступательно-вращательный поправочный множитель .

1.1.6 Теория Кусаки

1.1.7 Аналитическая формула для поправочного множителя .

1.1.8 Поправочный множитель для скорости нуклеации . . . .
1.1.9 Сравнение с результатами численного расчёта
1.1.10 Аналитическая формула для скорости нуклеации в пределе высоких температур
1.2 Исследование гомогенной нуклеации для определения поверхностного натяжения наночастиц металлов
1.3 Экспериментальные методы исследования гомогенной нуклеации
1.3.1 Метод адиабатического расширения
1.3.2 Метод турбулентного смешивания
1.3.3 Методьп основанные на молекулярной диффузии
1.4 Физико-химические характеристики висмута
2 Методика эксперимента
3 Исследование нуклеации висмута в ламинарной проточной
камере

3.1 Экспериментальные результаты
3.2 Обсуждение экспериментальных результатов
3.2.1 Учёт ассоциатов
3.2.2 Уравнение Кельвина для пара с ассоциатами
3.2.3 Осадок на стенках камеры
3.2.4 Поток висмута
3.2.5 Оценка нуклеационного объёма, скорости нуклсации и пересыщения по результатам экспериментов
3.2.6 Сопоставление с процессом гомогенной нуклеации сурьмы
4 Численное моделирование процессов, протекающих в камере
4.1 Схема численного расчёта
4.2 Результаты моделирования. Определение поверхностного натяжения критических зародышей висмута
4.3 Сравнение экспериментальных оценок с результатами численного моделирования
Заключение
Список рисунков
Список таблиц
Литература

Введение
Функция состояния, которая называется удельной свободной поверхностной энергией или поверхностным натяжением а, полностью определяет термодинамические свойства межфазной границы. Строгая термодинамическая теория межфазной поверхности (теория капиллярности) Гиббса [1] утверждает, что величина поверхностного натяжения должна зависеть от радиуса кривизны поверхности натяжения по не позволяет найти эту зависимость. В последние годы стало ясно, что для некоторых веществ, например, металлов, поверхностное натяжение капли радиусом порядка 1 нм может существенно отличаться от такового для плоской поверхности [2]. В связи с этим, для понимания и прогнозирования процессов, связанных с наносистемами, таких как гомогенная и гетерогенная нуклеация, растворимость наночастиц, скорость образования и рост углеродных нанотрубок на поверхности наночастиц металлов, образование и старение коллоидных систем и многих других, необходимо знать величину поверхностного натяжения наноразмерных частиц.
Актуальность
В настоящее время в литературе представлены численные расчёты поверхностного натяжения для простых систем, описываемых потенциалом Леннарда-Джонса и его модификациями (благородные газы). Результаты этих расчётов подтверждают, что поверхностное натяжение малых капель действительно отличается от поверхностного натяжения плоской поверхности. Однако прямой расчёт поверхностного натяжения для более сложных систем невозможен из-за сложности потенциала взаимодействия между атомами и молекулами этих систем.

1.2 Исследование гомогенной нуклеации для определения поверхностного натяжения наночастиц металлов
Впервые изложенный подход по определению поверхностного натяжения наноразмерных капель был применён в работе [2]. Авторы использовали имеющиеся в литературе экспериментальные данные по нуклеации металлов, и с использованием формулы 1.61 определили поверхностное натяжение малых капель различных металлов. В литературе имеются измерения скорости нуклеации и пересыщения для одновалентных 1л [40]. На [41], Сэ [42-44], Ag [3,45] и двухвалентных Mg [46], Zn [3], Нд [47,48] металлов. Также представлены численные расчёты энергии наноразмерных капель для 1л, N4, К, Шэ, Ag, Аи [49], Zn [50], А1 [51], Ре [52], выполненные из первых принципов.
Полученные авторами [2] результаты представлены на рисунке 1.3. Видно, что отличие а от (Тоо значительное, вплоть до двукратного. При этом можно отметить следующие закономерности: поверхностное натяжение критических зародышей для всех исследованных элементов первой группы периодической системы выше, чем для плоской поверхности, в то время как для элементов второй группы поверхностное натяжение критических зародышей ниже, чем для плоской поверхности. Можно ожидать, что аналогичные свойства могут быть обнаружены и для поверхностного натяжения других элементов этих групп, гомогенная нуклеация которых пока ещё не исследована.
Представляет значительный интерес в какую сторону и как сильно будет отличаться а от а^ у простых веществ, находящихся в других группах периодической системы; будут ли также как для элементов I и II групп наблюдаться общие свойства у поверхностного натяжения наноразмерных частиц различных элементов одной и той же группы. Настоящая работа посвящена определению поверхностного натяжения критических зародышей висмута, который является элементом главной подгруппы пятой группы периодической системы.