Численное исследование конвективной неустойчивости в электрохимических системах с применением метода диаграмм неравновесных фазовых переходов

• Автор: Александров, Роман Сергеевич
• Шифр специальности: 02.00.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 131 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

Силы плавучести

Конвективная неустойчивость в неоднородно нагретой жидкости

Конвективная неустойчивость в электрохимических системах.

Диаграммы неравновесных фазовых переходов

Колебательная конвективная неустойчивость

Кулоновская конвективная неустойчивость

ГЛАВА 1. КОНВЕКТИВНАЯ ДИФФУЗИЯ В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

1.1. Законы сохранения.

1.2. Силы плавучести в трехкомпонентном электролите
1.3. Кулоновские силы в бинарном электролите.
ГЛАВА 2. КОНВЕКТИВНАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.
2.1. Общая постановка задачи.
2.2. Граничные условия и механическое равновесие в трехкомпонентном электролите стационарное состояние.
2.3. Уравнения для малых возмущений
2.4. Неустойчивость РэлсяБснара.
2.5. Диафаммы конвективной неустойчивости для системы с тремя сортами ионов
2.6. Обсуждение результаюв.
ГЛАВА 3. КОНВЕКТИВНАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПРИ ПЕРЕХОДНОМ ПРОЦЕССЕ
3.1. Распределение концентрации частиц и силы плавучести при переходном процессе
3.2. Критическое время возникновения конвективной неустойчивости
3.3. Зависимость критического времени начала переходного процесса от парциальных чисел Рэлея
ГЛАВА 4. КУЛОНОВСКАЯ КОНВЕКТИВНАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ БИНАРНОГО ЭЛЕКТРОЛИТА В ПЛОСКОМ СЛОЕ а
4.1. Плотность объемного заряда, индуцированная прохождением через бинарный электролит постоянного тока.
4.2. Распределение заряда, концентрации и электрического поля в условиях механического равновесия
4.3. Малые возмущения
4.4. Электроконвективиая неустойчивость
4.5. Неустойчивость РэлсяБенара в системе с бинарным электролитом с учетом кулоновских сил.
ГЛАВА 5. ДИАГРАММЫ КОНВЕКТИВНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ В НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
5.1. Диаграммы конвективной неустойчивости в растворе СивО, Н2Я в избытке.
5.2. Диаграммы конвективной неустойчивости раствора ферроферрицианида К4РеС1ч4 К,реС1Чь в избытке
5.3. Диаграммы конвективной неустойчивости в системе иодиодид
К1 1,.
ПРИЛОЖЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Эта конвекция определяет скорость охлаждения нагретых тел в жидкости и газе, массопереиос в океане и атмосфере, а также скорость катодного осаждения и анодного растворения металлов в электрохимических системах с вертикальными электродами. Другой тип конвекции имеет совершенно иную физическую природу и наблюдается, например, при закипании воды, или при возникновении колебаний тока в электрохимической ячейке с горизонтальными электродами. Эта конвекция объединяет круг явлений, получивших название явления конвективной устойчивости, так как она возникает не во всех системах, а только в тех, где плотность сил плавучести достигает некоторого критического значения. Исследование конвективной неустойчивости берет свое начало с задачи РэлсяБснара, или конвективной устойчивости плоского слоя жидкости, подогреваемого снизу. Исследование конвективной устойчивости РэлеяБенара породило много новых идей, которые затем с успехом нашли применение в различных областях физики, химии, экономики, социологии и медицины. Конвективная неустойчивость приводит к образованию неравновесных диссипативных структур, возникновение которых Прнгожин назвал неравновесными фазовыми переходами 6. Изучая конвективную неустойчивость мы впервые сталкиваемся с нарушением принципа предсказуемости поведения детерминированных систем. В электрохимических системах силы плавучести определяются локальными изменениями концентраций всех компонент раствора, а также наряду с диффузией и миграционным потоком частиц. Поэтому здесь наблюдается более широкий спектр явлений, связанных с конвективной устойчивостью, в частности, здесь возможен переход от устойчивого раствора к колебательному и стохастическому состояниям. Исследования конвекции на их различных этапах суммировались также в ряде обзоров Кошмндера 7, 8, Нормана и Помо 9, Буссе , , а также Ньюэлла с соавторами . Число работ, посвященных исследованию конвективной неустойчивости в электрохимических системах, невелико. В основу настоящей диссертации положены работы, опубликованные в статьях , и , а также в материалах симпозиума . Работа докладывалась на Международном Фрумкниском симпозиуме Москва г. Силы плавучести возникают в результате изменения плотности жидкости, подверженной действию силы тяжести. С ними связаны многие явления, встречающиеся в прикладной физикохимической гидродинамике. Рассмотрение сил плавучести представляет самостоятельный интерес, поскольку именно с их помощью получают свое физическое объяснение такие явления, как свободная конвекция, конвективная неустойчивость, внутренние волны и другие явления. Плотность архимедовых сил плавучести определяется как произведение напряженности гравитационного поля е на локальное изменение плотности раствора Лр Гх Ар. Локальные изменения плотности раствора в электрохимической ячейке, а следовательно, и силы плавучести могут возникать как в результате локального нагрева, так и изменения концентрации раствора, обусловленного протеканием электрического тока ,. Можно выделить три группы явлений, связанных с возникновением конвекции, обусловленной силами плавучести свободная естественная конвекция , конвективная неустойчивость , внутренние колебания и волны . Свободная или бсспороговая конвекция возникает при сколь угодно малой величине сил плавучести и наблюдается, например, у вертикального или наклонного электродов. Действие сил плавучести вызывает гидродинамическое течение в межэлектродном пространстве, изменяющее скорость электрохимических реакций, протекающих в диффузионном режиме, а также распределение плотности тока по поверхности электрода. Естественная конвекция важна для многих электрохимических процессов, например, для осаждения металлов при электрохимическом рафинировании, для анодного растворения металлов при электрохимическом полировании. При естественной конвекции в электрохимических системах возникает сложная картина взаимодействия концентрационных, тепловых, электрических и гидродинамических полей. В случае горизонтально расположенных электродов гидродинамическое течение возникает только при условии, когда Ар или превышает некоторое критическое значение.