Термодинамическая и кинетическая теория нуклеации пара при растворении и обратной кристаллизации ядер конденсации

• Автор: Шабаев, Илья Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 98 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
ГЛАВА 1. Общие положения термодинамики нуклеации пара на растворимых ядрах конденсации
§1. Работа образования капли на растворимом ядре конденсации
§2. Производящие свойства работы образования капли. Вывод обобщенных уравнений Гиббса-Кельвина-Кёлера и Оствальда-Фрейндлиха
§3. Экспоненциальная аппроксимация расклинивающего давления. Поверхность работы образования капли
§4. Равновесные решения уравнений Гиббса-Кельвина-Кёлера и Оствальда-Фрейндлиха. Влияние растворимости вещества ядра конденсации и его размера на химический потенциал молекул конденсата
ГЛАВА 2. Активационные барьеры при нуклеации капель на растворимых ядрах конденсации и при обратной кристаллизации ядер в каплях
§5. Экстремумы и седловая точка работы образования капли на растворимом ядре конденсации
§6. Барьеры прямого и обратного переходов капли при растворении и зарождении хорошо растворимого твердого ядра в капле в недосыщенном паре

§7. Барьеры перехода растворения и фазового перехода пар - жидкость при нуклеации на слаборастворимых ядрах в пересыщенном паре и барьер обратного перехода кристаллизации в недосыщенном паре
§8. Термодинамически устойчивые и неустойчивые переменные описания состояния капли. Переход между устойчивыми и неустойчивыми переменными при изменении химического потенциала пара
ГЛАВА 3. Кинетика растворения и кристаллизации ядер конденсации в ансамбле капель
§9. Двумерное кинетическое уравнение теории нуклеации на растворимых ядрах
§10. Разделение устойчивых переменных и установление двумерного равновесного распределения капель на дне потенциальной ямы работы образования капли
§11. Разделение устойчивой и неустойчивой переменных и выход на равновесное и стационарное распределения капель в окрестности седловой точки работы образования капли на стадии растворения
§12. Разделение устойчивой и неустойчивой переменных и выход на равновесное и стационарное распределения капель в окрестности седловой точки работы образования капли при кристаллизации ядра
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Интерес к гетерогенной нуклеации на растворимых микронных и субмикронных ядрах конденсации в недосыщенных и пересыщенных парах с одной стороны связан с тем, что исследования последних десятилетий по физике облаков и аэрозолей показали, что аэрозоли, формирующиеся на таких ядрах, широко распространены в атмосфере и являются долгоживущими. Данные аэрозоли оказывают влияние на многие нуклеационные и конденсационные процессы, происходящие в атмосфере [1,2], прохождение через них электромагнитного излучения существенно, в частности, при формировании радиационного баланса атмосферы Земли. С другой стороны, термодинамическое и кинетическое описание образования и эволюции капелек на малых растворимых ядрах является необходимой частью статистической теории поверхностных явлений и фазовых переходов первого рода, требует решения ряда задач теоретической физики.
Процесс нуклеации на растворимых твердых частицах (обычно, частицах солей неорганических кислот) в атмосфере пара растворителя начинается с появления жидкой пленки раствора вокруг этих частиц. В англоязычной научной литературе эта стадия называется «deliquescence stage», что может быть дословно переведено как «стадия увлажнения с растворением», ниже мы будем её называть просто стадией растворения. В недосыщенном паре эта стадия является единственной, и нуклеационный процесс заканчивается с установлением агрегативного равновесия между каплями разных размеров, состоящих из раствора вещества либо полностью либо частично растворившихся ядер конденсации. В пересыщенном паре эта стадия является начальной во всем процессе нуклеации и последующем росте капель и может наблюдаться только при рассмотрении слаборастворимых частиц соли, причем служащие ядрами конденсации растворимые твердые частицы полностью растворяются с течением времени в закритических растущих каплях.

РИС.8 Поверхность безразмерной работы С (у, у'п) образования капли на хорошо растворимом ядре конденсации в недосыщенном паре растворителя при А*2* = Ъ1'2'1 = 0.21 = -0.25 и
Л„ = 15нм (у„ = 7.068-105).
На рис.6 и рис.8 изображены поверхности безразмерной работы
образования капли на хорошо растворимом ядре конденсации = х£^ =0.2) для двух различных значений химического потенциала недосыщенного пара, 6(1)=6(1)(х00= 0.2) = -0.2 и 6(2)=6(2)(х00 = 0.2) = -0.25, соответственно. «Линии водослива» на изображенных поверхностях показывают равновесную траекторию перехода капли от состояния равновесия с частично растворившимся ядром конденсации к состоянию равновесия капли с полностью растворившимся ядром конденсации с паром растворителя.
На рис.6-8 отчетливо видны первый и второй минимумы, а также седловая точка работы Р(у, у’п) образования капли. Точка первого минимума работы Е{у,у'п) образования капли находится в области малых значений числа у молекул конденсата и соответствует капле с частично растворившимся ядром конденсации, которое находится в устойчивом равновесии с растворенным