Моделирование частотных характеристик релаксационной поляризации воды

• Автор: Уляхина, Дарья Андреевна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Благовещенск
• Количество страниц: 152 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

Г лава 1. Физико-химические и поляризационные свойства воды

1.1. Поляризационные характеристики обыкновенной воды

1.1.1. Общее строение и виды колебаний молекулы Н

1.1.2. Экспериментальные оптические спектры воды

1.2. Традиционное описание поляризационных свойств

1.2.1. Методы расчета микроскопических параметров

1.2.2. Расчетные формулы макроскопических характеристик

1.3. Классические уравнения диэлектрической проницаемости

1.3.1. Статические формулы Борна и Клаузиуса-Моссотти

1.3.2. Теоретические модели Онзагера и Кирквуда
1.4. Кибернетическая модель диэлектрической проницаемости
1.5. Выводы по главе
Глава 2. Кибернетическая модель электронной поляризации воды
2.1. Структурный синтез математической модели ЭП воды
2.1.1. Классическое уравнение электронной поляризации
2.1.2. Системная модель электронной поляризации
2.2. Параметрический синтез математической модели ЭП воды
2.2.1. Классический расчет динамических параметров
2.2.2. Квантово-механический расчет
2.3. Визуальная модель электронной конфигурации Н
2.4. Выводы по главе
Глава 3. Кибернетическая модель релаксационной поляризации воды
3.1. Визуальные модели молекулярных ассоциатов воды
3.1.1. Тетраэдрический конгломерат (Н20)
3.1.2. Трехмерные кластеры (Н20)2о и (Н20)

3.2. Структурный синтез математической модели РП воды
3.3. Параметрический синтез математической модели РП воды
3.3.1. Метод эмпирических расчетов динамических параметров
3.3.2. Алгоритм расчета собственных параметров (Н20)
3.4. Выводы по главе
Глава 4. Компьютерное моделирование поляризационных свойств

4.1. Обобщенная кибернетическая модель поляризации воды
4.2. Программные средства автоматизации прикладных расчетов
4.2.1. Математический пакет MatLAB
4.2.2. Программная среда Visual C++
4.3. Широкодиапазонные частотные спектры общей поляризации воды
4.3.1. Диэлектрические спектры реструктурированной воды
4.3.2. Диэлектрические спектры структурированной воды
4.4. Выводы по главе
Заключение
Список литературы
Приложение А. Акт об использовании результатов диссертации
Приложение Б. Справка о внедрении результатов диссертации
Приложение В. Копии патентов на полезные модели
Приложение Г. Копии свидетельств о регистрации программ для ЭВМ

ВВЕДЕНИЕ
Вода входит в состав подавляющего большинства объектов живой и неживой природы, а также является непременным участником бесчисленного множества естественных и техногенных процессов. Кроме того, ее поистине планетарная роль определяется широким набором необычных физико-химических свойств. Подобное положение вещей вызывает непреодолимый интерес к всестороннему изучению микроскопических параметров как отдельно взятой молекулы Н20, так и ее молекулярных комплексов, образующихся за счет возникновения водородных связей, - конгломератов и кластеров.
На текущий момент имеется достаточно четкое представление о свойствах газов и твердых тел, однако до сих пор отсутствует единая точка зрения в вопросе реальной молекулярной структуры исследуемой жидкости. Относительная бедность научной информации объясняется невероятной сложностью протекающих в ней процессов, для адекватного описания
которых необходимы методы регистрации молекулярных и надмолекуляр-

ных процессов в широком диапазоне характерных времен - от 10' до единиц секунд.
Одним из наиболее приемлемых способов получения адекватной информации о свойствах и молекулярной структуре Н20 является разработка эффективных математических методов, согласующихся с существующими экспериментальными и теоретическими моделями. При этом применение классических трактовок для описания происходящих в воде поляризационных явлений, возникающих под действием слабого электромагнитного поля, оказывается неэффективным в силу того, что они не учитывают возможность образования молекулярных ассоциатов (№0),, и, следовательно, не имеют описания ее релаксационной поляризации.

Таким образом, в рамках теории Онзагера, величина напряженности электрического поля, эффективно действующего в полярных жидкостях, зависит от целого ряда факторов - реальной диэлектрической проницаемости рассматриваемой среды, геометрических размеров ее молекул, а также параметров их упругих видов поляризации:
Р = (1.34)
2е + 2е + I
После некоторых преобразований получим уравнения Онзагера [43], связывающие /ли ас ей И, в виде (1.35).
(£ ~ £оо)(2£ + £ро) = N Но .
е(ех + 2)2 3е03 кТ’ (135)
-1 N а
ех+2 Зе
Необходимо отметить, что согласно электромагнитной теории Максвелла, показатель преломления среды п связан с ее диэлектрической проницаемостью на предельно высоких частотах ех соотношением е= £от= п.
Первое уравнение из (1.35) упрощается в двух предельных случаях: во-первых, для значений £»£„, характерных для сильно полярных жидкостей:
с = N /г1{£а> + 2)
2е0 9 кТ , (1.36)
во-вторых, для слабо полярных жидкостей, Т.е. при £-£«,«
£ — 1 £<х> ~ ^ ~ е(£*> ^
є + 2 єт + 2 (2є + єх)(є + 2)Зє0кТ ^ 37)
Необходимо отметить, что модельная теория Л. Онзагера имеет ряд недостатков. Во-первых, используется искусственная модель молекулы, согласно которой полярная молекула является пустой сферической полостью с точечным диполем в центре. В действительности же расположение зарядов внутри полярной молекулы имеет весьма сложный характер.