«Кинетика фазовых переходов первого рода»

Специализация 510417 — Теоретическая и математическая физика

Разработчики:

профессор, доктор физ.-мат. наук ___________________ Ф.М.Куни

профессор, доктор физ.-мат. наук ___________________ А.П.Гринин

Рецензент:

профессор, доктор физ.-мат. наук ___________________ А.К.Щекин

Санкт-Петербург – 2003 г.

Содержание дисциплины

Темы лекций по дисциплине

1. Нуклеация в пересыщенных парах. Постановка задачи об описании процесса нуклеации при мгновенном создании исходного метастабильного состояния в приближении коллективного потребления вещества метастабильной фазы растущими частицами новой фазы.

2. Решение уравнения баланса конденсирующегося вещества при свободномолекулярном и диффузионном режиме роста капель.

3. Стадия нуклеации. Полное число зародившихся капель. Продолжительность стадии нуклеации.

4. Пример расчета основных характеристик стадии нуклеации в приближении коллективного потребления растущими частицами вещества метастабильной фазы при свободномолекулярном режиме роста капель.

5. Пример расчета основных характеристик стадии нуклеации в приближении коллективного потребления растущими частицами вещества метастабильной фазы при диффузионном режиме роста капель.

6. Эволюция нуклеирующей системы на стадии «коллапса».

7. Оценка времени выхода на стадию переконденсации.

8. Стадия переконденсации. Переменные Лифшица-Слезова описания зародышей стабильной фазы.

9. Главный член асимптотики критического размера на больших временах.

10. Поправочный член асимптотики критического размера на больших временах.

11. Асимптотика функции распределения на больших временах.

12. Переконденсация при наличии внешнего источника молекул пара.

13. Вероятностно-статистический подход к описанию стадии нуклеации.

14. Среднее расстояние до ближайшей соседней капли и среднее время ее ожидания. Область применимости вероятностно-статистического подхода.

15. характеристики процесса нуклеации в присутствии растущей капли.

16. Определение основных характеристик стадии нуклеации на основе вероятностно-статистического подхода. Сравнение с результатами расчетов в приближении коллективного потребления растущими частицами вещества метастабильной фазы.

Примерные темы типовых расчетов

• Расчет полного числа образующихся капель и длительности стадии нуклеации в пересыщенном паре с заданными свойствами в приближении коллективного потребления растущими частицами вещества метастабильной фазы.

• Расчет полного числа образующихся капель и длительности стадии нуклеации в пересыщенном паре с заданными свойствами на основе вероятностно-статистического подхода.

• Расчет параметров стадии переконденсации.

.

3.3. Примерный перечень вопросов к экзамену по курсу

1. Решение уравнения для функции распределения капель по размерам при квазистационарном граничном условии в области малых размеров.

2. Приближенное представление для функции распределения капель по размерам.

3. Переход от временной переменной к координате фронта распределения капель на оси размеров.

4. Уравнение баланса конденсирующегося вещества в приближении коллективного потребления растущими частицами вещества метастабильной фазы.

5. Решение уравнение баланса конденсирующегося вещества.

6. Описание стадии нуклеации в приближении коллективного потребления растущими частицами вещества метастабильной фазы при свободномолекулярном режиме роста капель.

7. Описание стадии нуклеации в приближении коллективного потребления растущими частицами вещества метастабильной фазы при диффузионном режиме роста капель.

8. Полное число зародившихся капель и длительность стадии нуклеации.

9. Описание стадии коллапса и оценка времени начала переконденсации.

10. Теория Лифшица-Слезова стадии переконденсации (основные принципы).

11. Главный член асимптотики критического размера на больших временах.

12. Поправочный член асимптотики критического размера на больших временах.

13. Асимптотика функции распределения капель по размерам на больших временах.

14. Основные принципы описания стадии нуклеации на основе вероятностно-статистического подхода.

15. Скорость нуклеации в окрестности растущей капли.

16. Определение среднего расстояния до ближайшей соседней капли и среднего времени ее ожидания при диффузионном режиме роста капель.

17. Область применимости вероятностно-статистического подхода.

18. Результаты вероятностно-статистического подхода для полного числа капель и продолжительности стадии нуклеации.

19. Сравнение результатов вероятностно-статистического подхода и подхода на основе приближении коллективного потребления растущими частицами вещества метастабильной фазы.

Литература

Основная

1. Лифшиц Е.М., Питаевский Л..П. Физическая кинетика. Изд-во "Наука", 1979, М.

2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. Часть 1.Изд-во "Наука", 1976, М

3. Куни Ф.М., Гринин А.П. //Коллоидный журнал. 1984.Т.46. №1. С. 23-28, 460-465.

4. Лифшиц И.М., Слезов В.В. ЖЭТФ. 1958, т.35, N 2.

5. Куни Ф.М., Щекин А.К., Гринин А.П. //Успехи физических наук. 2001. Т.171. № 4. С.345 – 385.

6. Гринин А.П. , Куни Ф.М., Жувикина И.А. //Коллоидный журнал. 2002. Т.64. №6. С.769-774.

7. Гринин А.П. , Куни Ф.М //Коллоидный журнал. 2003. Т.65. №1. С.16-25.

Дополнительная

8. Куни Ф.М., Гринин А.П. //Доклады Академии Наук .1997. Т.357(3) С. 358-360.

9. Фукс Н.А. Испарение и рост капель в газообразной среде. 1958, М.

1. Цель изучения дисциплины. Распад метастабильных фазовых состояний - распространенное явление природы, протекающее в разнообразных физических системах. Характерные признаки этого явления: наличие периода ожидания начала фазового перехода, выраженная стадия зарождения частиц новой фазы, последующая стадия коллапса и стадия установления финального равновесия. Явления с подобными признаками наблюдаются также в биологии, экономике, т.е. в областях, весьма далеких от физики. Кинетика фазовых перехода первого рода представляет собой наглядный пример приложения знаний различных разделов теоретической физики для описания течения реального физического явления. Целью изучения дисциплины является овладение студентами, обучающимися по учебному плану программы подготовки магистров «Статистическая теория неоднородных систем», общими принципами построения физической теории и конкретным аппаратом теории распада метастабильных фазовых состояний, имеющим многочисленные практические приложения.

2. Задачи курса: освоение современных методов описания различных стадий фазового перехода первого рода при различных способах создания метастабильного состояния.

3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника: излагаемый в курсе материал потребуется специалистам по статистической физике при выполнении теоретических исследований в области теории фазовых переходов, а также при решении прикладных задач материаловедения, физики атмосферы, экологии.

4. Требования к уровню освоения дисциплины «Основы теории нуклеации»

• знать основные черты фазовых переходов первого рода, свойства и способы создания метастабильного состояния вещества,

• иметь представления о стадиях фазового перехода, об иерархии характерных масштабов этого процесса

• понимать значение и знать способы описания эффекта истощения метастабильной фазы в процессе фазового перехода,

• уметь находить основные характеристики фазового перехода – число образующихся на стадии нуклеации частиц новой фазы, продолжительность стадии нуклеации, оценку времени начала переконденсации

• знать описание стадии переконденсации.

Объем дисциплины, виды учебной работы, форма текущего, промежуточного и итогового контроля