«Tермодинамика и кинетика гетерогенной нуклеации»

Направление -510400 Физика

Разработчик:

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

Рецензент:

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

Санкт-Петербург – 2003 г.

Содержание дисциплины

Темы лекций по дисциплине

1. Гомогенный и гетерогенный механизмы зародышеобразования.

2. Химический потенциал конденсата в капле и расклинивающее давление.

3. Работа образования капли и работа смачивания ядра при равномерном покрытии ядра пленкой конденсата.

4. Термодинамические характеристики нуклеации в предпороговой области метастабильности пара.

5. Образование равномерной по толщине пленки и условия на коэффициент растекания конденсата и размер ядра конденсации.

6. Частичное смачивание и краевой угол. Фазовые диаграммы смачивания.

7. Метод функционала профиля пленки.

8. Работа образования капли на частично смачиваемом ядре конденсации.

9. Линейное натяжение и его роль в нуклеации на частично смачиваемых поверхностях.

10. Нуклеация на растворимых ядрах в пренебрежении адсорбцией вещества ядра.

11. Допороговая и предпороговая область метастабильности пара для растворимых ядер конденсации.

12. Система уравнений термодинамики при адсорбции растворенного вещества ядра на поверхности зарождающихся капель.

13. Нуклеация при незначительной адсорбции вещества ядра на поверхности капель.

14. Нуклеация при адсорбции почти всего вещества ядра в монослое на поверхности капель.

15. Нуклеация при постоянной величине адсорбции вблизи насыщения монослоя.

16. Анализ основных нуклеационных характеристик при модельных изотермах адсорбции вещества ядра на поверхности капель.

17. Эффект мицеллобразования вещества ядра внутри капли.

18. Достаточное условие применимости теории при полном растворении ядра в капле.

19. Максимум химического потенциала конденсата в капле при неполном растворении ядра.

20. Совместное влияние расклинивающего давления, мицеллообразования и адсорбции при неполном растворении ядра.

21. Учет нерастворимого компонента в ядрах конденсации, включающих растворимый компонент.

Примерные темы типовых расчетов

• Расчет термодинамических параметров зародышеобразования в предпороговой области пересыщений пара на нерастворимых ядрах при степенной аппроксимации расклинивающего давления.

• Расчет термодинамических параметров зародышеобразования в предпороговой области пересыщений пара на полностью растворимых ядрах из поверхностно-инактивного вещества.

• Расчет линейного натяжения для модельной изотермы межповерхностного потенциала.

• Исследование влияния параметров межповерхностного потенциала на знак линейного натяжения.

• Исследование влияния разных типов нерастворимых компонентов ядра на пороговое значение пересыщения пара.

• Нахождение асимптотик термодинамических параметров гетерогенного зародышеобразования как функций начального размера растворимого ядра конденсации при малости адсорбции веществ ядра на поверхности зарождающейся капли.

• Нахождение асимптотик термодинамических параметров гетерогенного зародышеобразования как функций начального размера растворимого ядра конденсации при адсорбции почти всего веществ ядра на поверхности зарождающейся капли.

Примерный перечень вопросов к экзамену по курсу

1. Характерные особенности гомогенного и гетерогенного механизмов зародышеобразования. Чем они обусловлены?

2. Химический потенциал конденсата в капле на нерастворимом ядре и роль расклинивающего давления.

3. Как связаны расклинивающее давление жидкой пленки и изотермы адсорбции? Связь с коэффициентом растекания.

4. Вывод выражения для работы образования капли при равномерном покрытии ядра пленкой конденсата.

5. Связь работы смачивания ядра и расклинивающего давления при равномерном покрытии ядра пленкой конденсата.

6. Понятие о предпороговой области метастабильности пара.

7. Кинетика гетерогенного зародышеобразования.

8. Установление квазиравновесного и квазистационарного состояний при гетерогенном зародышеобразовании. Характерные кинетические времена.

9. Характерные малые параметры теории зародышеобразования на макроскопических нерастворимых ядрах.

10. Образование равномерной по толщине пленки и условия на коэффициент растекания конденсата и размер ядра конденсации.

11. Экспоненциальная и адсорбционная асимптотики работы смачивания нерастворимого ядра.

12. Частичное смачивание и краевой угол. Классическая теория Фольмера.

13. Фазовые диаграммы смачивания.

14. Метод функционала профиля пленки.

15. Вывод выражения для работы образования капли на частично смачиваемом ядре конденсации.

16. Линейное натяжение и уравнение Юнга.

17. Роль линейного натяжения в нуклеации на частично смачиваемых поверхностях.

18. Нуклеация на растворимых ядрах в пренебрежении адсорбцией вещества ядра.

19. Допороговая и предпороговая область метастабильности пара для растворимых ядер конденсации.

20. Характерные малые параметры теории зародышеобразования на макроскопических растворимых ядрах.

21. Система уравнений термодинамики при адсорбции растворенного вещества ядра на поверхности зарождающихся капель. Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества.

22. Типичные изотермы адсорбции и уравнения состояния адсорбционных монослоев.

23. Нуклеация при незначительной адсорбции вещества ядра на поверхности капель.

24. Нуклеация при адсорбции почти всего вещества ядра в монослое на поверхности капель.

25. Нуклеация при постоянной величине адсорбции вблизи насыщения монослоя.

26. Анализ основных нуклеационных характеристик при изотерме Ленгмюра адсорбции вещества ядра на поверхности капель.

27. Анализ основных нуклеационных характеристик при изотерме Фрумкина адсорбции вещества ядра на поверхности капель. Роль латеральных взаимодействий в адсорбционном монослое.

28. Эффект мицеллобразования вещества растворимого ядра внутри капли.

29. Пороговое пересыщение для гетерогенной конденсации на ядрах из неионного поверхностно-активного вещества.

30. Пороговое пересыщение для гетерогенной конденсации на ядрах из ионного поверхностно-активного вещества.

31. Достаточное условие применимости теории при полном растворении ядра в капле.

32. Образование жидкой плёнки конденсата в капле при неполном растворении однокомпонентного ядра.

33. Зависимость характеристик гетерогенного зародышебразования от размера ядра при совместном влиянии расклинивающего давления, мицеллообразования и адсорбции при неполном растворении ядра.

34. Роли растворимого и нерастворимого компонента в комплексных ядрах конденсации.

Литература

Основная

1. F.M. Kuni, A.K.Shchekin, A.I.Rusanov, and B.Widom. Advances in Colloid and Interface Science, 1996, v.65, p.71-124.

2. Куни Ф.М., Щекин А.К., Гринин А.П. Теория гетерогенной нуклеации в условиях постепенного создания метастабильного состояния пара. УФН, 2001,т.171,№4, с.345-385.

3. Роулинсон Дж., Уидом Б. Молекулярная теория капиллярности. М.: Мир, 1986. 375 с.

4. Kashchiev D. Nucleation. Basic theory with applications. Butterworth-Heinemann, Oxford, 2000.

5. Щекин А.К., Куни Ф.М., Татьяненко Д.В. Термодинамика нуклеации на нерастворимых макроскопических ядрах. Издательство СПбГУ, С-Петербург, 2002. С.50.

6. Щекин А.К., Куни Ф.М. Основы термодинамики нуклеации на растворимых ядрах.Издательство СПбГУ, С-Петербург, 2002. С.52.

Дополнительная

1. Kohler H. The nucleus in and the growth of hygroscopic droplets // Trans. Faraday Soc. 1936. Vol. 32. N 8. P. 1152–1161.

2. Dufour L., Defay R. Thermodynamics of Clouds. New York; London, 1963.

3. Лактионов А. Г. Равновесная гетерогенная конденсация. Л., 1988.

4. Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. Поверхностные силы. М., 1985.

5. Indekeu J. O., Bonn D. The role of surface spinodals in nucleation and wetting phenomena // J. Mol. Liquids. 1997. Vol. 71. N 2–3. P. 163–173.

6. Bonn D., Indekeu J .O. Nucleation and wetting near surface spinodals // Phys. Rev. Lett. 1995. Vol. 74. P.3844–3847.

7. Куни Ф. М., Щекин А. К., Русанов А. И. Термодинамика конденсации на растворимых ядрах поверхностно-инактивных веществ // Коллоид. журн. 1993. Т. 55. N 2. С. 34–44.

8. Куни Ф. М., Щекин А. К., Русанов А. И. Кинетика конденсации на растворимых ядрах // Коллоид. журн. 1993. Т. 55. N 2. С. 45–54.

9. Русанов А.И., Куни Ф.М., Щекин А.К. Основы термодинамики конденсации на растворимых ядрах с учетом адсорбции вещества ядра // Коллоид. журн. 1993. Т. 55. N 2. С. 55–63.

10. Куни Ф.М., Щекин А.К., Русанов А.И. Термодинамика конденсации на растворимых ядрах ПАВ при постоянной величине адсорбции // Коллоид. журн. 1993. Т.55. N 2. С. 64–72.

11. Куни Ф.М., Щекин А.К., Русанов А.И. Термодинамика конденсации на растворимых ядрах ПАВ при переменной величине адсорбции // Коллоид. журн. 1993. Т. 55. N 2. С. 73–90.

12. Щекин А.К., Куни Ф.М., Яковенко Т.М., Русанов А.И. Термодинамические основы кинетики конденсации на растворимых ядрах ПАВ // Коллоид. журн. 1995. Т.57. N 1. С. 105–113.

13. Щекин А.К., Куни Ф.М., Яковенко Т.М., Русанов А.И. Расчеты и анализ термодинамических характеристик кинетики конденсации на растворимых ядрах ПАВ // Коллоид. журн. 1995. Т. 57. N 2. С. 261–267.

14. Щекин А.К., Русанов А.И., Куни Ф.М. Термодинамика конденсации на растворимых ядрах коллоидных ПАВ // Коллоид. журн. 1993. Т. 55. N 2. С. 91–99.

15. Куни Ф.М., Щекин А.К., Русанов А.И. Конденсация на растворимых ядрах в области неполного их растворения // Коллоид. журн. 1993. Т. 55. N 5. С. 80–92.

16. Щекин А.К., Русанов А.И., Куни Ф.М. Термодинамика конденсации при образовании пленки на растворимом ядре // Коллоид. журн. 1993. Т. 55. N 5. С. 185–193.

17. Щекин А.К., Гринин А.П., Куни Ф.М. Кинетика растворения, адсорбции и релаксации к химическому равновесию вещества ядра конденсации в гетерогенно зарождающейся капле // Коллоид. журн. 1998. Т. 60. N 1. С. 118–128.

18. Татьяненко Д.В., Щекин А.К., Куни Ф.М. Коллоидный журн. 2000. Т.62. №4. С.536-543.

Цель изучения дисциплины: формирование у студентов, обучающихся по учебному плану кафедры статистической физики, представления о современном (за последние 10 лет) состоянии термодинамики зарождения новой фазы на гетерогенных центрах различной физической природы; выработка навыков термодинамического анализа сложного физического явления.

1. Задачи курса: знакомство с классическим описанием гетерогенной нуклеации, изучение роли поверхностных сил в зарождении тонких жидких пленок на твердых подложках, выявление условий реализации барьерного и безбарьерного механизмов гетерогенной нуклеации, установление в явном виде связей между характерными параметрами различных ядер и интенсивностью процесса зарождения капель.

2. Место курса в профессиональной подготовке выпускника: курс опирается на общий курс «Термодинамика и статистическая физика», на спецкурсы кафедры, читаемые в бакалавриатуре; курс вводит обучающихся в современное состояние науки о гетерогенных фазовых переходах и дает возможность для начала самостоятельной работы в этой области; формируемое при изучении курса понимание физической природы гетерогенного зародышеобразования и способов его анализа расширяет теоретический кругозор студентов и способствует более глубокому восприятию других специальных курсов по теории фазовых переходов.

3. Требования к уровню освоения дисциплины «Tермодинамика гетерогенного зародышеобразования»

• знать основные механизмы гетерогенных фазовых переходов,

• знать основные типы ядер конденсации и их характерные особенности,

• уметь определять пороговые и предпороговые пересыщения пара,

• владеть термодинамической терминологией, уметь определять химические потенциалы конденсата в капле и паре, находить работу образования капли,

• понимать роль капиллярного, расклинивающего и осмотического давлений в гетерогенном зародышеобразовании,

• уметь описать адсорбционные явления на границах пар-жидкость, твердое тело-жидкость, твердое тело-пар,

• уметь связать термодинамические характеристики гетерогенного зародышеобразования с кинетикой,

• знать основные приемы решения кинетического уравнения гетерогенного зародышеобразования, уметь оценивать характерные времена.

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