Акустичні та реологічні властивості ряду рідинних систем поблизу критичної температури

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

БІЛОУС ОКСАНА ІВАНІВНА

УДК 532.536

АКУСТИЧНІ ТА РЕОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ РЯДУ РІДИННИХ СИСТЕМ ПОБЛИЗУ КРИТИЧНОЇ ТЕМПЕРАТУРИ

01.04.14 - теплофізика та молекулярна фізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка.

Наукові керівники: доктор фізико-математичних наук, професор

Сперкач Володимир Савелійович

Київський національний університет імені Тараса Шевченка;

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Альохін Олександр Давидович

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

фізичний факультет, завідувач НДЛ “Фізика рідин, полімерів та фазових переходів в них”.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Чалий Олександр Васильович,

Національний медичний університет імені О.О. Богомольця, м. Київ, завідувач кафедри медичної та біологічної фізики;

кандидат фізико-математичних наук,

Саєнко Олег Васильович,

Полтавський педагогічний університет імені В.Г. Короленка, фізико-математичний факультет, доцент.

Провідна установа: Фізико-технічний інститут низьких температур імені Б.В. Вєркіна НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 20 ” “ січня ” 2004р. о 14³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.08 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою:

03022, м. Київ, проспект акад. Глушкова, 6, фізичний факультет, ауд. № 500.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою:

01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий “ 11 ” “ грудня ” 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.001.08

кандидат фізико-математичних наук О.С. Свечнікова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

критична температура акустична релаксація

Актуальність теми. Експериментальні і теоретичні дослідження індивідуальних рідин та подвійних розчинів поблизу їх критичних станів продовжують залишатися одними із актуальних задач фізики конденсованого стану речовини. Завдяки аномальному зростанню радіуса кореляції критичних флуктуацій прямують до нескінченності такі важливі характеристики рідинних систем як ізотермічна стисливість, теплоємність, теплопровідність. В той же час до нуля прямують коефіцієнт поверхневого натягу рідин, коефіцієнт дифузії, температуропровідність.

Указана вище унікальна поведінка фізичних властивостей рідинних систем у критичному стані знаходить своє практичне застосування і продовжує залишатись об'єктом систематичних подальших фундаментальних досліджень, як експериментальних, так і теоретичних.

На даний час ці дослідження досягли відомих успіхів завдяки розвитку сучасної флуктуаційної теорії фазових переходів, використанню нових фундаментальних ідей скейлінгу, теорії ренормгрупи, методу колективних змінних, модельних розрахунків, а також використанню різноманітних сучасних експериментальних методів. Одержані різноманітні рівняння стану рідин як поблизу критичної точки, так і в широкому околі термодинамічних параметрів. Але ці успіхи найчастіше стосуються вивчення рівноважних властивостей рідинних систем поблизу критичної точки.

Експериментальних і теоретичних досліджень нерівноважних властивостей рідинних систем, кінетики встановлення їх рівноваги в критичному стані, особливо з використанням акустичних методів у широкому діапазоні частот, значно менше. В той же час методи акустичної спектроскопії дозволяють реєструвати в системах динамічні процеси в дуже широкому інтервалі частот із характерними часами 10^-610^-11с. Це дозволяє при дослідженні рідинних систем, що перебувають у критичному стані, простежити одночасно процеси, пов`язані із флуктуаційними та молекулярними механізмами. Саме це і зумовлює актуальність проведення експериментальних та теоретичних досліджень нерівноважних властивостей подвійних рідинних систем поблизу критичної температури розшарування за допомогою методів акустичної спектроскопії з використанням широкого діапазону частот.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках програми фундаментальних досліджень, які проводяться на кафедрі молекулярної фізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка за темою “Конденсований стан - фізичні основи новітніх технологій” у рамках б/тем № 97008, № 97009, №01БФ051-01, № 01БФ051-02.

Мета роботи: встановлення характеру особливостей поведінки реологічних та акустичних властивостей рідинних систем поблизу критичної температури, виявлення і з'ясування молекулярних та флуктуаційних механізмів релаксаційних процесів, що мають місце у досліджуваних системах поблизу критичної температури.

Для реалізації цієї мети поставлено такі завдання: експериментально дослідити температурну залежність реологічних та акустичних властивостей різних за своєю природою рідинних систем в широкому діапазоні частот, концентрацій та температур, включаючи близький окіл критичної температури; дослідити коефіцієнт зсувної вязкості та температурну залежність поглинання звуку і обємної вязкості; дослідити звязок між властивостями компонент, що входять до складу досліджуваних розчинів і кінетичними властивостями розчинів; з'ясувати механізми поглинання і швидкості поширення акустичних хвиль у досліджуваних подвійних розчинах поблизу критичної температури розшарування; дослідити температурну та концентраційну залежності часів релаксації критичних флуктуацій.

Об'єкт дослідження: молекулярні й флуктуаційні механізми нерівноважних процесів, що протікають у рідинних системах при наближенні до критичної температури.

Предмет дослідження: акустичні та реологічні властивості досліджуваних рідинних систем поблизу критичної температури.

Методи дослідження. У роботі використовувалися реологічні методи дослідження рідинних систем та методи акустичної спектроскопії у широкому діапазоні частот, які апробовані та практично використовуються на кафедрі молекулярної фізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Коефіцієнт кінематичної в'язкості (_S) вимірювали капілярним віскозиметром та за допомогою метода падаючої кульки, а швидкість поширення звуку (с) і амплітудний коефіцієнт поглинання () імпульсно-фазовим методом.

Наукова новизна отриманих результатів.

Запропоновано метод аналізу температурної залежності динамічної в`язкості досліджених рідинних системах, який у сукупності з традиційним методом, дозволяє визначити ряд параметрів, що характеризують особливості поведінки рідинних систем поблизу критичної температури.

Проведені дослідження об'ємної _v і зсувної _s в'язкості показали, що у всіх досліджених бінарних розчинах при наближенні до критичної температури розшарування відношення (_v/_s) досягає значних величин, порядку 10², і слабо залежить від індивідуальних властивостей компонент, що входять до складу розчину.

Вперше встановлено, що акустичний спектр у досліджених бінарних розчинах становить собою дві різні релаксаційні області - високочастотну (₁ 2002800 МГц) та низькочастотну (₂ 5110 МГц). Високочастотні акустичні спектри в досліджуваних бінарних розчинах обумовлені індивідуальними властивостями компонент розчину, які не залежать від близькості системи до критичного стану. Низькочастотна релаксаційна область має флуктуаційну природу, тобто вона визначається процесами утворення та розпаду флуктуацій.

За даними коефіцієнта поглинання звуку в низькочастотній області досліджена залежність частоти релаксації від температури й концентрації. Підтверджено висновки динамічної флуктуаційної теорії, що частоти релаксації, які обумовлені процесами утворення й розпаду флуктуацій, зменшуються при наближенні до критичної температури та критичної концентрації рідинних систем.

У низькочастотній області (₂5-110 МГц) досліджено температурну залежність коефіцієнтів поглинання звуку (Т) і об'ємної в'язкості _v(Т) рідинних систем із критичними параметрами. Отримані результати підтвердили висновки динамічної теорії про асимптотичну поведінку вказаних величин у граничних областях _с1 і _с1.

Наукове та практичне значення результатів.

Отримані в дисертаційній роботі результати розширюють та поглиблюють знання про рівноважні та кінетичні властивості рідинних систем в критичному стані, а також корисні для перевірки існуючих модельних уявлень про механізми нерівноважних процесів, що протікають внаслідок теплового руху в рідинних системах і сприяють подальшому розвитку молекулярної теорії конденсованих середовищ.

Перспективним є застосування отриманих експериментальних даних для вдосконалення різних технологічних режимів у хімічній, нафтогазовій, парфумерній та харчовій промисловості.

Результати дисертаційної роботи можуть бути використані на кафедрі молекулярної фізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка, споріднених кафедрах інших вузів у навчальному процесі при розробці спецкурсів із фізики фазових переходів і фізичної кінетики; при виконанні бакалаврських та магістерських робіт та при проведенні лабораторних робіт.

Особистий внесок здобувача. В основу дисертації покладені результати комплексних експериментальних досліджень, виконаних автором або безпосередньо з її участю (реологічні вимірювання у випадку рідкого кристала 5ЦБ проводила спільно з Гуменюком Я.О.) на кафедрі молекулярної фізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Проводила розрахунки параметрів релаксаційних процесів, що спостерігалися, рівноважних і нерівноважних властивостей досліджуваних рідинних систем за допомогою програмного забезпечення. Аналіз і оформлення результатів у вигляді статей та доповідей здійснювала у творчій співпраці з науковими керівниками та колегами.

Апробація результатів дисертації. Результати кандидатської дисертації пройшли апробацію на наукових конференціях: V Всеукраїнській науковій конференції “Фундаментальна та професійна підготовка фахівців з фізики” (Київ, 2000); IV міжнародному семінарі “Фазовые переходы и нелинейные явления в конденсированных средах” (Махачкала, Республика Дагестан, Россия, 2000, 2003); Workshop on Modern Problems of Soft Matter Theory (Lviv, Ukraine, 2000); 18^th General Conference of the condensed matter division of the European Physical Society Montreux (Switzerland, 2000); 17^th International congress on acoustics (Rome, Italia, 2001); XV International School-Seminar. “Spectroscopy of molecules and crystals” (Chernihiv, Ukraine, 2001); International conference “Physics of liquid matter: modern problems” (Kyiv, Ukraine, 2001, 2003); наукових семінарах кафедри молекулярної фізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 15 робіт у вигляді 6 наукових статей та 9 матеріалів та тез доповідей на міжнародних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 123 найменувань, додатку; містить 32 рисунки та 29 таблиць, включаючи 14 таблиць додатку. Обсяг основного тексту роботи - 125 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вибраної теми, сформульовано мету роботи та задачі, аргументовано наукову новизну отриманих результатів, показано практичну цінність роботи.

У першому розділі проведено огляд теоретичних і експериментальних робіт із дослідження рівноважних і нерівноважних процесів, що протікають у рідинних системах при тепловому русі поблизу критичної температури, охарактеризовано сучасний стан проблеми. Подана загальна характеристика флуктуаційної теорії фазових переходів, яка використовувалась при аналізі й інтерпретації отриманих результатів. Зроблено висновки.

У другому розділі представлена характеристика об'єктів дослідження, обґрунтовано вибір методів дослідження, описано будову й принцип роботи експериментальних установок для вимірювання коефіцієнта поглинання (), швидкості поширення звуку (с) поздовжніх акустичних хвиль у діапазоні частот від 2,5 до 3000 МГц, та коефіцієнта зсувної в'язкості (_s). Наведено детальний аналіз похибок вимірювань. Сумарні відносні похибки вимірювань величин поглинання, швидкості поширення звуку, коефіцієнта зсувної в'язкості в залежності від умов експерименту дорівнюють:

%,

%,

%.

Усі розрахунки виконані за допомогою ЕОМ.

В третьому розділі приведені результати вимірювання температурної залежності коефіцієнта динамічної в'язкості , швидкості поширення (с) і поглинання звуку в різних за своєю природою рідинних системах, в області температур Т>Т_к, таких подвійних розчинів: метанолгексан (0,51СН₃ОН+0,49С₆Н₁₄ - критична концентрація (кр. к.), Т_к=314,85 К), метанолгептан (0,616СН₃ОН+0,384С₇Н₁₆ - кр.к., Т_к=326,10 К), нітрометанн-аміловий спирт (0,384СН₃NO₂ + 0,616СН₁₁ОН - кр. к.; 0.1; 0,3; 0.5; 0.7 молярні частки (м. ч.) амілового спирту, Т_к=300,90 К), нітробензолгексан (0,4С₆Н₅NO₂ + 0,6С₆Н₁₄ - кр. к.; 0.3; 0.5; 0.7 м. ч. нітробензолу, Т_к=294,10 К) та нематичний рідкий кристал пентилціанобіфеніл (5ЦБ) із температурою фазового переходу нематичний рідкий кристал-ізотропна рідина T_к рівною 307,85 К. Компоненти, що входять до складу рідинних систем, мають різну будову молекул. Це дозволило проаналізувати як впливає будова молекул на акустичні та реологічні параметри поблизу критичної температури розшарування (КТР).

Проведені дослідження температурної залежності величини динамічної в'язкості (_S) показали, що поблизу критичної температури досліджуваних рідинних систем спостерігається різке збільшення вязкості, яке не описується регулярною частиною вязкості _р(Т) (див. рис.1).

Така критична аномалія поведінки в`язкості рідинних систем поблизу критичної температури пов`язана з динамікою поведінки критичних флуктуацій. Традиційно експериментальні дані _S(Т) аналізують на основі рівняння в'язкості.

Тут

_р(T) = Аexp

регулярна частина в`язкості; <sub>ф</sub> - флуктуаційна частина в`язкості;

R_c= r₀ t^-

- радіус кореляції;

=2/3

- критичний показник радіуса кореляції;

z=0.050 0.065

- критичний показник в`язкості; q - параметр, що має розмірність хвильового вектора;

t=(T-T_к)/T_к,

T_к - критична температура.

Виходячи з того, що область застосування рівняння (1) обмежена, при аналізі поведінки в`язкості рідини поблизу КТР, ми запропонували інший метод, оснований на динамічній теорії фазових переходів. Для цього у рівнянні (1) доданок <sub>ф</sub> пов`язується з радіусом кореляції системи _фR_c(t)t^-, а скінченність в`язкості _ф у критичній точці забезпечується врахуванням просторової дисперсії

де ₀ - амплітуда флуктуаційної частини вязкості.

Використання рівняння (2) дозволило нам визначити область застосування рівняння (1):

10^-3 t 10^-5

Використовуючи експериментальні дані _S(Т), на основі запропонованого рівняння в`язкості поблизу критичної температури (2), та традиційного рівняння (1), розраховано параметри досліджуваних рідинних систем, що характеризують особливості критичної поведінки в`язкості: амплітуду ₀ флуктуаційної частини в`язкоті (_{ф 0}t^-); критичний показник радіуса кореляції -

(R_c=r₀t^-);

величину флуктуаційної частини в`язкості в критичній точці _фк; добуток параметра, що має розмірність хвильового вектора і амплітуди радіусу кореляції - (qr₀); критичний показник вязкості - z. Усі ці параметри представлено в табл. 1.

Також у таблиці 1 представлено дані для параметрів, що характеризують регулярну частину вязкості досліджуваних рідинних систем - А і В.

Таблиця 1. Параметри рідинних систем, що характеризують особливості поведінки вязкості поблизу критичної температури

Назва системи	А	0	фк	В		(qr0)	z
	мПас	К
5ЦБ (ізотропна фаза)	0,810-3	2,31	3,85	3000	0,650,05	0,6	0,050,007
Метанолгексан	0,210-1	0,2910-2	0,9710-1	868	0,610,05	0,03	0,0580,007
МетанолГептан	0,210-1	0,2910-2	0,9710-1	911	0,630,05	0,03	0,060,007
Нітрометанн-аміловий спирт	0,6510-3	0,410-2	2,810-1	2180	0,640,05	0,014	0,0630,007

З даних, наведених у таблиці 1, випливає, що температурна поведінка флуктуаційної частини зсувної вязкості _ф є однаковою для всіх досліджуваних рідинних систем. Відмінними є лише значення амплітуд флуктуаційної частини вязкості ₀.

Аналіз температурної та концентраційної залежності швидкості поширення звуку с₀ показав, що с₀ у розчинах нітрометанн-аміловий спирт, та нітробензолгексан із ростом температури зменшується лінійно. Для системи нітробензолгексан залежність швидкості звуку від концентрації компонент, які виражені в молярних частках, близька до адитивності. В системі нітрометанн-аміловий спирт концентраційна залежність швидкості звуку проходить через мінімум. Для досліджуваних розчинів у діапазоні частот від 5 до 300 МГц швидкість звуку в межах похибок вимірювань не залежить від частоти. На частотах вищих 300 МГц у досліджуваних розчинах спостерігається дисперсія швидкості звуку 3,5 %.

З метою об'єктивного аналізу флуктуаційного вкладу у величину поглинання досліджуваних подвійних розчинів поблизу КТР спочатку нами були проведені вимірювання і с в індивідуальних компонентах: нітрометані, аміловому спирті, нітробензолі й гексані, а потім в розчинах нітрометанн-аміловий спирт, нітробензолгексан із різними концентраціями, включаючи і критичну концентрацію розчинів. Отримані експериментальні результати показали, що акустичні спектри досліджуваних обєктів, у вивченому діапазоні частот і температур, в індивідуальних компонентах розчину, описуються рівнянням з одним часом релаксації. Для подвійних розчинів акустичний спектр описується рівнянням із двома часами релаксації:

Тут і=1 для індивідуальних компонент, а для розчинів і=1,2; с - швидкість звуку на частоті

=2f,

b_i i _i - релаксаційна сила й час релаксації і-тої області дисперсії; B-високочастотна границя величини f^-2; с₀ - низькочастотне значення швидкості звуку (_і 1).

Розшифровку акустичних спектрів проводили методом ітераційних наближень за допомогою відомого емпіричного рівняння:

де А_і - низькочастотна границя величини f^-2 (_і1, і=1,2).

Для прикладу на рис. 2 приведено залежність величини поглинання звуку від логарифма частоти для розчину нітрометанн-аміловий спирт, із критичною концентрацією 0,384 молярних часток нітрометану, при вказаній температурі. Похибка визначення релаксаційних параметрів А_і, _і і В не перевищує 10%.

На основі отриманих експериментальних даних про величини , _S і с за допомогою рівнянь розраховано значення релаксаційних сил () та величин поглинання звуку , що обумовлені коефіцієнтом зсувної в'язкості. Значення величини об'ємної в'язкості для низькочастотної області релаксації розраховували за допомогою співвідношення.

Порівняння одержаних результатів для _v1(t) з експериментальними даними зсувної в'язкості _s(t) у досліджених системах, свідчить про те, що у флуктуаційній області температур (t10^-4 10^-2) відношення досягає двох порядків.

Проведені експериментальні дослідження виявили, що в бінарних розчинах, на відміну від індивідуальних рідин, що входять до складу досліджуваних розчинів, спостерігаються дві області релаксації. При цьому частота релаксації високочастотної області подвійних розчинів за порядком величин збігається з частотою релаксації індивідуальних компонент, що входять до складу розчину і не залежить від

Т=(Т-Т_К)

Чи

Х=(Х-Х_к).

Частота релаксації низькочастотної області, для досліджуваних подвійних розчинів, виявилася на два порядки меншою за частоту релаксації високочастотної області і залежить від Т і Х. Усі ці аспекти дозволяють зробити висновок, що в досліджуваних подвійних розчинах, при наближенні до КТР, з'являється друга низькочастотна область дисперсії, яка обумовлена релаксаційними процесами, що носять флуктуаційну природу.

Наступним етапом наших досліджень було з'ясування механізмів, що відповідають за низько- та високочастотні області акустичної релаксації у подвійних рідинних системах у широкому інтервалі частот, концентрацій та температур, включаючи близький окіл критичної температури розшарування. Ці дослідження представлені в четвертому розділі дисертації.

Для виявлення саме флуктуаційного механізму акустичної релаксації досліджуваних рідинних систем, нами спочатку виділяється й аналізується механізм акустичної релаксації в індивідуальних компонентах досліджуваних рідин, та акустичні властивості розчинів в області далекій від критичного стану речовини. На останньому етапі основна увага приділяється саме критичним властивостям акустичних параметрів уздовж граничних критичних напрямків.

У відповідності з існуючими уявленнями процеси акустичної релаксації в досліджуваних нами індивідуальних рідинах пов'язані з процесами структурної релаксації. Нами було запропоновано дві моделі для аналізу структурної релаксації в нітрометані, аміловому спирті, нітробензолі і гексані: модель ланцюгових асоціатів, у рамках якої розглядалася структурна релаксація в аміловому спирті, та модель суміші розірваних та нерозірваних звязків для пояснення механізму структурної релаксації у нітробензолі, н-гексані й нітрометані.

Проведений аналіз залежності коефіцієнта поглинання звуку від частоти для температур і концентрацій (ХХ_к), далеких від критичних значень, свідчить про незначний вплив флуктуацій на величину поглинання звуку для досліджуваних бінарних розчинів у всьому діапазоні частот при відході від критичної температури чи концентрації.

Тепер перейдемо до розгляду поведінки коефіцієнта поглинання бінарних розчинів із критичними параметрами (Х=Х_к) в близькому околі КТР. На рис. 3 представлена залежність величини поглинання звуку f^-2 від концентрації для розчину нітробензолгексан при Т=0,1 К на частотах 5; 15; 50 і 300 МГц.

Як видно з цього рисунку на низьких частотах (f50МГц) значення величини f^-2 різко зростає і проходить через максимум при концентраціях близьких до критичного складу розчину. З ростом частоти величина максимума зменшується і на частотах вище 300 МГц максимум зникає.

Така поведінка коефіцієнта поглинання звуку на низьких частотах (100 МГц) повязана з процесами утворення й розпаду флуктуацій концентрацій у досліджуваних системах при наближенні до критичної температури.

Згідно динамічної теорії критичних явищ час життя критичних флуктуацій визначається співвідношенням

де _S і R_с - відповідно зсувна вязкість і радіус кореляції системи. В околі температур t10^-310^-4, згідно з існуючими експериментальними даними, характерний час життя флуктуацій, на основі, визначається величинами _с10^-610^-7 с. Саме цьому часовому інтервалові відповідають обернені значення частот 10 МГц (^-1 10^-7с), де спостерігається значне поглинання звуку в досліджених рідинних системах. В той же час на частотах >>10 МГц (300 МГц, ^-1310^-9с - ці часи набагато менші _с) таке поглинання відсутнє (див. рис. 3). Отже, час релаксації низькочастотної області збігається з часом життя чи часом релаксації флуктуацій концентрацій, а час релаксації високочастотної області за порядком величини збігається з часом релаксації індивідуальних рідин, що входять до складу досліджуваних розчинів.

Тобто, проведені нами вимірювання коефіцієнта поглинання звуку подвійних рідинних системах із критичними параметрами у вказаному діапазоні частот показали, що низькочастотна область релаксації досліджуваних розчинів зумовлена флуктуаційною природою, а високочастотна область зумовлена процесами, які відбуваються в системі у результаті утворення та розриву звязків між молекулами.

Встановлено, що високочастотні акустичні спектри в досліджуваних бінарних розчинах поблизу КТР зумовлені, в основному, процесами утворення та розпаду комплексів та асоціатів. За допомогою методу геометричного аналізу та, використовуючи дані високочастотної області, ми розрахували найбільш імовірний розмір (r₀) неоднорідності (комплексу). Результати розрахунків показали, що для системи нітробензолгексан r₀ 8 , а для системи нітрометанн-аміловий спирт r₀ 9.

Далі в розділі 4 розглядається механізм низькочастотної релаксаційної області розчинів поблизу критичної температури розшарування, який зумовлений флуктуаційною природою. Проведені дослідження температурної залежності коефіцієнта поглинання звуку на низьких частотах (10-300 МГц) (див. рис.4), дозволили проаналізувати температурну та концентраційну залежність частоти релаксації для цієї області.

Аналіз температурної залежності коефіцієнта поглинання показав, що величина /f² різко зростає при наближенні до критичної температури розшарування (див. рис.4). Чим менша частота звуку, тим швидше змінюється величина /f² при наближенні до КТР. Дійсно, як видно з рис.4, при зміні температури від 295 К до критичної температури, на частоті 90 МГц величина поглинання звуку зростає всього в 1,3 рази, на частоті 50 МГц в 2 рази, а на частоті 10 МГц величина поглинання зростає на порядок.

Розрахована температурна залежність частоти релаксації низькочастотної області, для досліджуваних розчинів із критичною концентрацією, показана на рис.5.

Аналіз цих залежностей показав, що при наближенні до критичної температури частота релаксації низькочастотної області дисперсії для розчинів нітрометан-н-аміловий спирт, нітробензол-гексан (випадок критичної концентрації) зміщується в бік низьких частот. Як видно, мінімальне значення f_р1 спостерігається при різниці температур (Т-Т_к)=0,1 К(див. рис.5).

Дослідження залежності частоти релаксації низькочастотної області дисперсії від концентрацій розчинів Х при температурах близьких до критичної показали, що мінімальне значення частоти релаксації спостерігається саме для випадку критичної концентрації розчинів. При збільшенні різниці Х величина f_р1 збільшується. Отже, отримані результати якісно підтверджують висновки динамічної теорії критичних явищ.

Крім того, нами було проаналізовано температурну залежність, експериментально отриманих даних коефіцієнта поглинання, на всіх досліджуваних частотах, за допомогою степеневої функції

Тут А₀ - коефіцієнт, який залежить від частоти, n₁ - ефективний показник степені.

Для прикладу на рис.6 зображено як змінюється величини поглинання звуку, в залежності від близькості до критичної температури розшарування, для різних частот, в розчині нітробензолгексан з критичною концентрацією.

За допомогою проведених розрахунків на основі експериментальних даних f^-2(f, T) для досліджуваних розчинів отримана залежність ефективного значення показника степені (n₁) від частоти (10). Залежність оберненого значення цього показника від частоти, має вигляд наведений на рис.7.

З рис.7 видно, що при _с<<1 величина показника прямує до кінцевого значення n₁^-1(f0)0,5. Отже, величина показника степені в співвідношенні (10), що описує температурну залежність коефіцієнта поглинання звуку, при f0 прямує до величини n₁(f0)2. В іншому граничному випадку, _с>>1, величина ефективного показника n₁2/3 (див. рис.7).

Отже, отримана нами температурна залежність коефіцієнта поглинання звуку (10), у граничних випадках _с<<1 і _с>>1, може бути представлена, відповідно, у вигляді

(_с<<1) R_c³ t^-2 і (_с>>1) R_c t^-2/3.

Таким чином, використання методу акустичної спектроскопії саме в широкому діапазоні частот при дослідженні температурної залежності коефіцієнта поглинання звуку вздовж напрямку критичної ізоконцентрати (Т>Т_к, Х=Х_к) подвійних розчинів дозволило підтвердити висновки динамічної теорії критичних явищ у граничних напрямках _с<<1, та _с>>1.

На підставі експериментальних даних коефіцієнта поглинання звуку /f²(f, T), швидкості поширення звуку с₀(t) та густини (t) було розраховано та досліджено температурну залежність велиничи об'ємної в'язкості досліджуваних рідинних систем. Одержані залежності _v1(t) (8), як і залежності /f²(f, T), можна описати за допомогою степеневої функції вигляду (10). Отримані результати, розрахованих величин _v1(t) (8), в подвійному логарифмічному масштабі, показані на рис.8.

Результати досліджень показали, що температурна залежність обємної вязкості є однаковою для різних рідинних систем. Відмінними є лише значення коефіцієнтів (_v0). Порівняння значення коефіцієнта (_v0) для різних рідинних систем, показує, що для рідкого кристала 5ЦБ значення _v0 на три порядки перевищує значення коефіцієнта для досліджуваних бінарних розчинів.

Цей результат, на нашу думку, вказує на те, що при розгляді механізму низькочастотної області релаксації, який обумовлений обємною вязкістю, потрібно враховувати індивідуальні особливості компонент, що входять до складу досліджуваних розчинів.

В той же час відомо, що основним механізмом який обумовлює поглинання звуку в рідкому кристалі 5ЦБ поблизу температури фазового пере-ходу нематичний кристал - ізотропна рідина є зростання флуктуацій орієнтацій молекул в ізотропній фазі. Таке зростання пов'язане зі спонтанним виділенням напрямку орієнтаційного впорядкування молекул у рідкому кристалі 5ЦБ.

На відміну від рідкого кристала поглинання звуку в розчинах нітрометанн-аміловий спирт та нітробензолгексан поблизу КТР зумовлене флуктуаціями концентрації. Ці факти, на нашу думку, можуть зумовити таку різницю між значеннями величин поглинання поблизу критичної температури в рідинних обєктах, що мають різну природу.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертації представлені результати експериментальних досліджень особливостей поведінки реологічних та акустичних властивостей ряду рідинних систем поблизу точки фазового переходу. Найважливіші результати та висновки, отримані в окремих розділах, можна сформулювати таким чином.

Проведено експериментальні дослідження коефіцієнта зсувної в'язкості _S, швидкості поширення с та амплітудного коефіцієнта поглинання звуку у подвійних розчинах метанолгексан, метанолгептан, нітрометанн-аміловий спирт, нітробензолгексан в околі критичної температури розшарування, в індивідуальних рідинах, що входять до складу досліджуваних розчинів; та в рідкому кристалі пентилціанобіфенілу (5ЦБ) в ізотропній фазі.

Запропоновано новий метод для аналізу температурної залежності динамічної в`язкості рідин поблизу КТР, який у сукупності з традиційним методом, дозволив визначити ряд параметрів, які характеризують особливості поведінки коефіцієнта динамічної в`язкості рідинних систем поблизу КТР. Такими параметрами є амплітуда і критичні показники в`язкості й радіуса кореляції; амплітуда флуктуаційної частини в`язкості ₀; значення в`язкості в критичній точці

,

добуток (qr₀). Показано, що температурна поведінка флуктуаційної частини зсувної вязкості _ф є однаковою для всіх досліджуваних рідинних систем. Відмінними є лише значення амплітуд флуктуаційної частини вязкості ₀.

Методом акустичної спектроскопії, використовуючи широкий діапазон частот від 5 МГц до 2800 МГц, вперше встановлено, що акустичний спектр у досліджених розчинах в області критичних концентрацій становить собою дві релаксаційні області. В той же час у досліджуваних індивідуальних рідинах, що входять до складу розчину, спостерігається одна проста область релаксації на високих частотах. Розраховано величини поглинання (), зумовлені коефіцієнтом кінематичної в'язкості, та параметри для областей акустичної релаксації: А_і, В, f_і, (), (), с_і (і = 1,2).

На основі даних про поглинання та швидкість поширення звуку в розчинах нітрометанн-аміловий спирт, нітробензолгексан та для 5ЦБ у низькочастотній області розраховано температурну залежність обємної вязкості _v1 досліджуваних рідинних систем. Порівняння отриманих результатів _v1(t) з експериментальними даними зсувної вязкості _s(t) у досліджених системах свідчить про те, що у флуктуаційній області температур (t10^-410^-2) відношення досягає величини порядку 10² і слабо залежить від індивідуальних властивостей компонент, що входять до складу розчину.

Показано, що в аміловому спирті структурна релаксація визначається реакціями розриву водневих зв'язків (О-Н ...О) в ланцюгових асоціатах. В гексані, нітрометані і нітробензолі структурна релаксація пояснюється в рамках моделі рідини як суміші розірваних та нерозірваних звязків. Високочастотні акустичні спектри в досліджуваних бінарних розчинах зумовлені процесами перебудови структури комплексів між компонентами розчину, які не залежать від близькості системи до критичної концентрації чи критичної температури розшарування.

Низькочастотна область релаксації розчинів нітрометанн-аміловий спирт та нітробензолгексан поблизу критичної температури розшарування визначається параметрами флуктуацій концентрації. Показано, що основним механізмом, який зумовлює поглинання звуку в низькочастотній області для досліджуваних розчинів, є зростання радіуса кореляції флуктуацій концентрації при наближенні до критичної температури розшарування.

Досліджено залежність частоти релаксації низькочастотної області від температури й концентрації. Встановлено, що частота релаксації низькочастотної області, яка зумовлена процесами утворення й розпаду флуктуацій, зменшується при наближенні до критичної температури та критичної концентрації рідинних систем.

У низькочастотної області ( ₂5-110 МГц) досліджено температурну залежність коефіцієнта поглинання звуку (Т) і об'ємної в'язкості _v(Т) рідинних систем із критичними параметрами, які вивчалися. Отримані нами температурні залежності (_с<<1)R_c³t^-2 та (_с>>1)R_ct^-2/3 підтверджують теоретичні висновки динамічної теорії критичних явищ про асимптотичну поведінку вказаних величин.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В РОБОТАХ

1. Альохін О.Д., Сперкач В.С., Абдикарімов Б.Ж., Білоус О. І. В`язкість рідкого кристалу пентилціанобіфенілу поблизу точки фазового переходу нематик-діелектрична рідина // УФЖ. - 2000. - Т.45, №9. - С.1067-1069.

2. Альохін О.Д., Сперкач В.С., Білоус О.І. В`язкість рідини поблизу критичної точки // Вісник Київського університету. Серія фізико-математичних наук. - 2000. - №3. - С. 374-377.

3. Білоус О.І. Аномалії в`язкості деяких бінарних розчинів на основі метилового спирту в околі критичної температури розшарування // Збірник наукових праць Полтавського державного педагогічного університету імені В.Г. Короленка. Серія фізико-математичних наук. - 2001. - В. 2. - С. 106-111.

4. Альохін О.Д., Білоус О.І., Сперкач В.С. Об`ємна в`язкість рідинних систем поблизу КТ // Вісник Київського університету. Серія фізико-математичних наук. - 2001. -№4. - С.418-423.

5. Альохін О.Д., Сперкач В.С., Білоус О.І. В`язкість розчину метанол-гексан поблизу критичної температури розшарування // УФЖ. - 2002. - Т.47, №1. - С. 37-38.

6. Альохін О.Д., Білоус О.І., Сперкач В.С., Акустична спектроскопія розчинів з критичною температурою розшарування // Вісник Київського університету. Серія фізико-математичних наук. - 2002. - №1. - С. 373-377.

7. Alekhin A.D., Sperkach V.S., Gumenyuk Y.A. and Bilous O.I. Viscosity of pentilcianbyfenil liquid close to the point of nematic-dielectric phase transition // 18 ht General Conference of the condensed mahter division of the European Physical Society Montreux. - Switzerland. - 2000. - P. 24-10.

8. Sperkach V.S., Alekhin A.D., Bilous O.I. The coeefficient of viscosity of liquid crestal close to the point of phase transition // Workshop on Modern Problems of Soft Matter Theory. - Lviv. -2000. - P. 167.

9. Sperkach V.S., Alekhin A.D., Bilous O.I. The definition of the viscosity critical index // Workshop on Modern Problems of Soft Matter Theory. - Lviv. - 2000. - P. 86.

10. Альохін О.Д, Сперкач В.С., Білоус О.І. В`язкість ізотропної фази рідинного кристалу 5СВ поблизу температури фазового переходу // Тези доповідей V Всеукраїнської наукової конференції. “Фундаментальна та професійна підготовка фахівців з фізики”. -К. - 2000. - С. 192.

11. Алехин А.Д., Сперкач В.С., Билоус О.И. Вязкость жидкого кристалла пентилцианобифенила вблизи точки фазового перехода нематик-диэлектрическая жидкость // Материалы конференции “Фазовые переходы и нелинейные явления в конденсированных средах”. - Махачкала, Республика Дагестан. - 2000. - С. 203-204.

12. Алехин А.Д., Сперкач В.С., Билоус О.И Определение критического показателя вязкости // Материалы конференции “Фазовые переходы и нелинейные явления в конденсированных средах”. - Махачкала, Республика Дагестан. - 2000. - С. 205-206.

13. Alekhin A.D., Sperkach V.S., Gumenyuk Y.A. and Bilous O.I. Acoustic spectroscopy of pentilcianbyfenil liquid crystal in the vicinity of phase transition point // XV International School-Seminar. “Spectroscopy of molecules and crystals”. - Chernihiv. - 2001. - P. 167.

14. Alekhin O.D., Bilous O.I., Sperkach V.S. The mechanism acoustical relaxation in 5CB liquid crystal and methanol-hexane binary solution //17 ht International Congress on Acoustics. - Rome. - 2001. - P. 157.

15. Bilous O.I., Burmistrov O.M. Acoustical properies of nitromethane-n-amil alkhol crytical mixture // Academic council on problem of liquid state physics at the presidium of national academy of sciences of Ukraine Ukrainian physical society. - Kyiv. - 2001. - P.158.

АНОТАЦІЇ

Білоус О.І. Акустичні та реологічні властивості ряду рідинних систем поблизу критичної температури. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.14. - теплофізика та молекулярна фізика. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2003.

В роботі проведено експериментальні дослідження коефіцієнта динамічної в'язкості (_s), коефіцієнта поглинання () та швидкості поширення звуку (с) у діапазоні частот від 2,5 до 3000 МГц в широкому діапазоні концентрацій та температур, включаючи близький окіл критичної температури (КТ).

В якості об'єктів дослідження були обрані різні за своєю природою такі рідинні системи: подвійні розчини метанолгексан, метанолгептан, нітрометанн-аміловий спирт і нітробензолгексан та рідкий кристал пентилціанобіфеніл (5ЦБ) в ізотропній фазі.

Встановлено, що в досліджуваних розчинах існують дві області акустичної релаксації. Низькочастотна релаксаційна область має флуктуаційну природу, тобто вона визначається процесами утворення та розпаду флуктуацій. Високочастотна зумовлена міжмолекулярними процесами, які відбуваються в рідинній системі в результаті утворення та розриву зв'язків між молекулами.

На основі даних частотної й температурної поведінки коефіцієнта поглинання звуку в низькочастотному діапазоні досліджена температурна та концентраційна залежність часів релаксації подвійних рідинних систем, що пов'язана з часами життя флуктуацій концентрацій поблизу КТ. Отримані дані підтверджують висновки динамічної теорії критичних явищ про асимптотичну поведінку вказаних величин у граничних випадках _с<<1 і _с>>1.

Ключові слова: критична температура, концентрація, флуктуація, динамічна в'язкість, коефіцієнт поглинання звуку, акустична релаксація.

Билоус О.И. Акустические и реологические свойства ряда жидких систем вблизи критической температуры. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.14. - теплофизика и молекулярная физика. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2003.

Диссертация посвящена одной из актуальных проблем физики конденсированного состояния вещества проблеме фазовых переходов второго рода и критическим явлениям в жидких системах, в частности исследованию кинетических свойств двойных растворов вблизи критической температуры расслоения. Для этого в работе использовались современные экспериментальные методы исследования жидких систем реологические и метод акустической спектроскопии в широком диапазоне частот (от 5 МГц до 2800 МГц), которые традиционно используются на кафедре молекулярной физики Киевского национального университета имени Тараса Шевченка. В качестве объектов исследования выбраны различные по своей природе системы: двойные растворы метанолгексан, метанолгептан, нитрометанн-амиловий спирт и нитробензолгексан и жидкий кристалл пентилцианобифенил (5ЦБ) в изотропной фазе.

С помощью капиллярного вискозиметра и метода падающего шарика в работе исследованы температурные зависимости динамической вязкости указанных выше жидкостных систем в широком диапазоне температур, включая окрестность критической температуры расслоения (КТР).

При анализе полученных данных в работе использовались как традиционные методы расчетов, так и предложены свои, основанные на динамической теории критических явлений. Это дало возможность более точно проанализировать такие характеристики растворов как температурную зависимость флуктуационной части вязкости и ее величину при критической температуре раствора; рассчитать критические показатели радиуса корреляции и вязкости и т. д..

С помощью метода акустической спектроскопии в широком диапазоне частот (5-3000 МГц), концентраций и температур, включая окрестность КТР, проведены измерения скорости распространения звуковых волн и коэффициента поглощения звука в перечисленных растворах и их индивидуальных компонентах. На основании полученных данных определено, что в исследуемых растворах, в отличие от индивидуальных компонент, существуют две области релаксации. Высокочастотная, которая обусловлена процессами перестройки ассоциатов в компонентах раствора и низкочастотная, обусловленная флуктуационной природой систем.

На основании данных частотного и температурного поведения коэффициента поглощения звука в низкочастотном диапазоне исследованы температурная и концентрационная зависимости времен релаксации жидкостных систем, что связано со временами жизни флуктуаций концентраций вблизи критической температуры. На основании этих данных проанализировано температурную зависимость объемной вязкости систем при подходе к КТР. Полученные данные подтверждают выводы динамической теории критических явлений об асимптотическом поведении указанных величин в предельных областях _с<<1 и _с >>1.

Ключевые слова: критическая температура, концентрация, флуктуация, динамическая вязкость, коэффициент поглощения звука, акустическая релаксация.

Bilous О.I. Acoustic and rheological properties of some liquid systems near the critical temperature. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of Philosophy Doctor in physics and mathematics by speciality 01.04.14. - thermal physics and molecular physics. - Kyiv National Taras Shevchenko University, Kyiv, 2003.

The experimental investigations of dynamic viscosity coefficient (_s), acoustical absorption coefficient (f^-2) and sound propagation velocity (с) in a range of frequencies from 2,5 MHz to 3000 MHz in a wide range of concentrations and temperatures, including a vicinity of critical temperature (CT), have been carried out in the work.

The different by nature liquid systems such as methanol-hexane, methanol-heptane, nitromethane-n-amil alcohol and nitrobenzene-hexane binary solutions and penthilcianbyfenil (5CB) liquid crystal in isotropic phase have been taken as the studying objects.

Two acoustic relaxation areas in studied solutions have been found. Low-frequency relaxation area has fluctuation nature, i. e. it is determined by processes of fluctuations formation and decomposition. High-frequency area is caused by internal-molecular processes, which occur in liquid system due to formation and break of bounds between molecules.

On the basis of the data on frequency and temperature behavior of acoustical absorption coefficient in a low-frequency range of the temperature and concentration dependence of relaxation times in binary liquid systems have been investigated. This dependence is caused with concentration fluctuations lifetime close to the CT. The obtained data confirm conclusions of the dynamic theory of critical phenomena about asymptotic behavior of the mentioned magnitudes within ranges _с<<1 and _с >>1.

Key words: critical temperature, concentration, fluctuation, dynamic viscosity, sound absorption coefficient, acoustic relaxation.

Размещено на Allbest.ru