Влияние электрического поля на равновесную форму и термодинамические характеристики зародыша в гомогенной и гетерогенной нуклеации

• Автор: Варшавский, Вадим Борисович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 110 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ ДЛЯ ПРОФИЛЯ КАПЛИ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И ХИМИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛОВ
1. Исходные соотношения и малый параметр задачи
2. Итерационный метод решения системы уравнений
3. Численный метод решения нелинейной системы уравнений
4. Основные соотношения для термодинамических
характеристик нуклеции
ГЛАВА 2. ЗАРОДЫШ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
ДИПОЛЯ ЯДРА КОНДЕНСАЦИИ
5. Профиль капли и потенциалы электрического поля во
втором приближении по малому отклонению от сферичности
6. Термодинамические характеристики гетерогенной
нуклеации на ядрах с электрическим диполем
7. Эффекты сильного поля диполя ядра конденсации
Выводы
ГЛАВА 3. ГОМОГЕННЫЙ ЗАРОДЫШ ВО ВНЕШНЕМ ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
8. Равновесный профиль капли, потенциалы электрического поля
и малый параметр задачи
9. Химический потенциал, размер и работа образования
критической гомогенной капли
10.0 знаке электрического вклада в работу образования
гомогенного зародыша
11.Эффекты слабого и сильного внешнего электрического поля
Выводы
ГЛАВА 4. КАПЛЯ С ЗАРЯЖЕННЫМ ЯДРОМ ВО
ВНЕШНЕМ ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
12.Профиль капли и потенциалы электрического поля
в первом приближении по отклонению от сферичности
13.Профиль капли и электрический потенциал во втором приближении по отклонению от сферичности
14.Влияние внешнего электрического поля на химический потенциал зародыша и пороговое значение пересыщения
пара в нуклеации на заряженных ядрах
15.Активационный барьер нуклеации
Выводы
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ КАПЕЛЬ С
ПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ КОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНЫ
16.Метрика несферического поверхностного слоя и
разделяющая поверхность
17-Полный тензор избыточных поверхностных напряжений
18.Избыточные напряжения в поперечных сечениях
поверхностного слоя
19.Условия механического равновесия на поверхности
20.Трансверсальное поверхностное натяжение
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Описание влияния электрического поля на свойства зарождающихся из пересыщенного пара капель является важной задачей теории нуклеации.
Явление ион-индуцированной нуклеации играет важную роль в земной атмосфере (особенно в ионосфере). Гетерогенная нуклеация водяного пара на ионах и макроскопических заряженных частицах является ключевой проблемой в развитии практических способов активных воздействий на атмосферные процессы. Непосредственным результатом введения центров нуклеации в пересыщенные влагой слои атмосферы может быть выпадение локальных осадков в виде ливней и снегопада. Вызываемые искусственные локальные осадки могут быть использованы для вымывания из атмосферыпро-дуктов аварийных выбросов как химического, так и радиоактивного характера с целью локализации районов загрязнения.
Хорошо известно из работ [1-6], в которых использовались различные экспериментальные подходы, что присутствие ионов значительно увеличивает скорость образования жидких капель в пересыщенном паре. Самая ранняя попытка теоретически описать электрический вклад в работу образования капли на заряженном ионе принадлежит Томсону [7], предпринятая в рамках классической капиллярной теории, в которой зародыш с ионом в центре обладает свойствами массивной фазы и заключен внутри разделяющей фазы поверхности нулевой толщины. В рассмотрении Томсона не была найдена зависимость работы образования капли от знака заряда иона. Различные теоретические аспекты ион-индуцированной нуклеации рассматривались в [8-14). В [8,9] были установлены фундаментальные уравнения термодинамики зародышеобразования на заряженных ядрах и определена зависимость основных термодинамических параметров критического зародыша от величины и знака заряда, находящегося в его центре. В [10-12] были найдены аналитические выражения для термодинамических величин капли, обладающей спонтанной поляризацией в поверхностном слое и находящейся в сильном электрическом поле ядра в виде асимптотических разложений по

На Рис.2 представлена зависимость параметра в от е2. Кривая 1 представляет результат численного расчета, кривая 2 задает &л&Трад/2у в соответствии с (6.8). Видно, что согласие обеих кривых хорошее в широкой области изменения е2. Можно заключить, что выражение (6.8) применимо в широкой области изменения е2, значительно превышающей область применимости (5.10).
Поведение химического потенциала Ьп как функции безразмерной переменной Д/Д* , где Д* г 2у//гТра изображено на Рис.З. В качестве квадрата дипольного момента взята величина р2 = (1б/9)Д*яу£а, еа = 10 . Зависимость, изображенная на Рис.З является типичной для гетерогенной нуклеа-ции (она похожа, например, на поведение химического потенциала капли в ион-индуцированной нуклеации).
Рис. 4 показывает зависимость относительного электрического УЭЛ = Жэл/4тиуД2 и поверхностного У¥пов =75/4дгуД2 вкладов в работу образования капли от €р. Кривые 1,2 демонстрируют результаты численного расчета и результаты, следующие из (6.3), (6.4) соответственно.
Рис. 5 показывает поведение суммы 1Упод+~[Уэл как функции от е2. Можно сделать вывод о взаимной компенсации отклонений в ЖПО0 и Жэл в выражении для работы образования капли.
Рис. 6 изображает форму капли в безразмерных цилиндрических координатах г = г/Д и р = р/Д при достаточно большом значении величины е2, при которых она уже не имеет геометрического смысла. Видно, что эта форма похожа на форму яблока и напоминает профиль двояковогнутого диска. Тем не менее, исследование формы двояковогнутого диска показывает, что форма капли не может быть двояковогнутым диском, полученным из сферы с помощью однородных деформаций.