WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

ТЯГУНИН Анатолий Вячеславович

Исследование тепло- и электрофизических свойств механической смеси гранулированного льда с песком

01.04.07 – физика конденсированного состояния

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2012

Работа выполнена в Северном (Арктическом) федеральном университете

(г. Архангельск) на кафедре общей физики

института естественных наук и биомедицины

Научный руководитель:        кандидат физико-математических наук, доцент Копосов Геннадий Дмитриевич

Официальные оппоненты:         доктор физико-математических наук,

профессор Мельников Андрей Петрович

кандидат физико-математических наук,

доцент Фатыхов Камиль Закирович

Ведущая организация:        ФГБОУ ВПО Российский государственный педагогический университет имени А.И Герцена (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 19 марта 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.154.22 при Московском педагогическом государственном университете (факультет физики и информационных технологий) по адресу: 119435, г. Москва, ул. Малая Пироговская, д. 29, ауд. 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета (119991, г. Москва, ул. М. Пироговская, д. 1).

Автореферат разослан ______ ___________2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                        / И.А. Васильева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Дисперсные системы (ДС) составляют значительную часть материалов и продуктов естественного и искусственного происхождения, с которыми имеет дело человек, как в обыденной жизни, так и на производстве. Можно привести множество примеров, это и адсорбенты, и катализаторы, полимерные, строительные и конструкционные материалы, горные породы, почвы и грунты, биологические системы, пищевые, текстильные и сельскохозяйственные продукты. Рост интереса к изучению дисперсных систем связан еще и с тем фактом, что понимание проходящих в них процессов является еще одним шагом к переходу на быстроразвивающиеся нанотехнологии.

В большинстве дисперсных сред природного происхождения, будь то почвенный покров, глины, или песок в тех или иных количествах входит вода как дисперсная фаза. Именно широкое распространение и огромное влияние практически на все сферы деятельности человека дает возможность выделить подобные ДС в особую группу – влагосодержащие дисперсные системы (ВДС).

Однако в природе встречаются ситуации, когда вода, находясь в твердой фазе, смешивается с песком в результате ветровой эрозии. Подобную смесь следует назвать механической смесью. Уникальность таких смесей заключается в том, что в отличие от ВДС, где лед выступает в роли фазы, а песок - среды, здесь они могут поменяться местами. Такая рокировка может сказаться на свойствах системы. Вероятнее всего, в условиях отсутствия связей между компонентами, должен наблюдаться перколяционный переход от свойств песка к свойствам льда. Однако исследования показывают, что на поверхности льда присутствует квазижидкий слой, который может влиять на свойства механической смеси.

Анализ литературы показывает, что каких-либо исследований с механическими смесями и в частности с диспергированным или гранулированным льдом ранее не проводилось. Такое положение дел очень странно, так как с практической точки зрения, исследование подобных систем позволяет смоделировать земную поверхность, когда ветер перемешивает снег и частицы грунта. Знание об электрофизических свойствах смесей «снег – песок» становится важным для расшифровки сигналов СВЧ-зондирования земной поверхности в условиях ветровой эрозии почв при отрицательных температурах.

Актуальность диссертационного исследования в первую очередь связана с выбором изучаемых объектов – диспергированные льды и механические смеси гранулированный лед - песок. В отличие от ранее проведенных исследований влагосодержащих кремнийсодержащих и углеродсодержащих материалов, проведенных в лаборатории физики дисперсных систем, данные исследования позволяют более детально изучать свойства связанной воды и льда в ВДС, а также квазижидкого слоя (КЖС) покрывающего лед.

Предметом изучения являются температурные и концентрационные зависимости теплофизических, электрических и диэлектрических свойств диспергированных льдов и механической смеси гранулированный лед – песок.

Цель работы получение и проведение сравнительного анализа экспериментальных результатов по тепло- и электрофизическим свойствам объемного и диспергированных льдов, а также анализ температурных и концентрационных зависимостей тепло- и электрофизических свойств механической смеси гранулированный лед – песок в диапазоне температур (-196 ÷ -10) оС

Задачи исследования:

1. Изучение температурных зависимостей теплофизических свойств объемного и гранулированного льда и проведения их сравнительного анализа;

2. Изучение температурных и концентрационных зависимостей теплофизических свойств механической смеси гранулированный лед – песок

3. Изучение температурных зависимостей электрических свойств объемного и диспергированного льда 3-х видов (гранулированный лед (ГЛ), дробленый лед (ДЛ), гранулировано-дробленый лед (ГДЛ)) на частотах 0,1; 1 и 10 кГц и проведение их сравнительного анализа; определение дебаевских характеристических параметров () по трехчастотной методике;

4. Изучение температурных и концентрационных зависимостей электрических свойств механической смеси гранулированный лед – песок на частотах 0,1; 1 и 10 кГц; определение дебаевских характеристических параметров () по трехчастотной методике;

5. Изучение температурных зависимостей диэлектрических свойств объемного и диспергированного льда на частотах 0,1; 1 и 10 кГц и проведение их сравнительного анализа; определение дебаевских характеристических параметров () по трехчастотной методике;

6. Изучение температурных и концентрационных зависимостей диэлектрических свойств механической смеси гранулированный лед – песок на частотах 0,1; 1 и 10 кГц; определение дебаевских характеристических параметров () по трехчастотной методике.

Для решения поставленных задач использовались различные методы исследования. Теплофизические свойства исследовались с использованием калориметра на анизотропных термоэлементах на основе висмута в квазиадиабатном режиме при скорости нагревания 1 К/мин. Электрические и диэлектрические свойства измерялись с использованием измерителя иммитанса Е7-14 на частотах 0,1; 1 и 10 кГц. Используя трехчастотную методику, определялись характеристические параметры дебаевской частотной дисперсии ().

Научная новизна и теоретическая значимость настоящей работы определяется:

- получением температурных зависимостей удельной теплоемкости, а также концентрационных и температурных зависимостей электрической проводимости и диэлектрической проницаемости для ранее не исследовавшихся диспергированных льдов и механической смеси гранулированного льда с песком;

- определением энергии активации образования КЖС на поверхности гранул льда, которая составляет 0,16эВ;

- установлением факта перехода КЖС на гранулы песка, сопровождающегося выделением энергии при смачивании;

- обнаружением эффекта стекания квазижидкого слоя по поверхности льда в гравитационном поле;

- обнаружением отрицательного вклада воды, перешедшей на гранулы песка с гранул льда, в диэлектрическую проницаемость смеси.

Достоверность полученных результатов определяется использованием общепринятых методик и методов исследований, а также сертифицированных измерительных приборов, согласием полученных экспериментальных данных с теоретическими, а в случае объемного льда с данными других авторов.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. апробирована методика трехчастотных измерений для определения характеристических параметров дебаевской частотной дисперсии электрофизических свойств;

2. разработана и апробирована методика определения энергии перехода лед – квазижидкий слой на основе анализа температурной зависимости удельной теплоемкости гранулированного льда;

3. сформулирован экспериментальный критерий существования квазиплазменных колебаний на основании исследования электрофизических свойств механической смеси гранулированный лед – песок.

На защиту выносятся следующие положения:

1 Наблюдаемые различия температурных зависимостей удельных теплоемкостей объемного и гранулированного льда определяются процессами, протекающими на их поверхности: стекание и последующее замерзание образовавшейся свободной воды, смачивание стенок измерительной ячейки, сопровождаемое выделением энергии и главное – увеличение толщины КЖС, требующее затрат энергии в .

2. Установлено, что в механической смеси гранулированный лед-песок часть водной пленки с поверхности гранул льда переходит на гранулы песка, что сопровождается энерговыделением и повышением температуры смеси; с течением времени система релаксирует к равновесному состоянию, характеризуемому аддитивной теплоемкостью, при этом наблюдается уменьшение диэлектрической проницаемости.

3. Концентрационные зависимости электрофизических свойств смеси гранулированный лед-песок свидетельствуют об отсутствии перколяционного перехода от свойств песка к свойствам льда по причине перехода КЖС с поверхности гранул льда на гранулы песка с образованием проводящей пленки воды.

4. Выделен отрицательный вклад квазиплазменных колебаний в диэлектрическую проницаемость механической смеси гранулированный лед-песок.

Личный вклад автора заключается в проведении и обработке экспериментов, принятии активного участия в анализе экспериментальных данных.

Соответствие содержания диссертации заявленной специальности. Работа выполнена в соответствии с пунктами 2, 3, 5 паспорта специальности ВАК 01.04.07 – Физика конденсированного состояния.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования были представлены на Всероссийских конференциях: «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» («ФАГРАН-2006» и «ФАГРАН-2010») в Воронеже, Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах» (Анапа, 2006), Международной научной конференции «Физика диэлектриков» («ДИЭЛЕКТРИКИ – 2008» и «ДИЭЛЕКТРИКИ – 2011)» в Санкт - Петербурге, международной научно-практической Интернет-конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (Одесса, 2010), региональной научно-практической конференции «МОЛОДЕЖЬ – В НАУКУ» (Архангельск, 2009).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 17 печатных работ, в том числе 5 в журналах из списка ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем работы составляет 194 страниц печатного текста, включая 56 страниц рисунков и таблиц. Список использованной литературы содержит 170 работ отечественных и зарубежных авторов.

Основное содержание работы

В первой главе «Обзор литературы и постановка задачи» представлен обзор литературных данных по теме диссертации. Глава состоит из четырех параграфов. В первом дается определение дисперсной системы (ДС), указываются ее виды.

Во втором параграфе основное внимание уделяется классификации типов влаги в различных дисперсных системах, описанию основных свойств этих типов. Дается краткий анализ исследований, проводимых по изучению квазижидкого слоя на поверхности льда. Приведены сведения о свойствах связанной воды и льда.

В третьем параграфе описываются результаты экспериментальных исследований диэлектрических свойств влагосодержащих ДС в низкотемпературном диапазоне, обсуждается их интерпретация, а также принятые в настоящее время модели влажного и мерзлого песка как наиболее исследованной ДС.

Четвертый параграф посвящен анализу работ по электрической спектроскопии ДС: рассмотрены возможные методы исследований и описана принципиальная методика анализа данных эксперимента.

В выводах на основе анализа рассмотренного материала ставится задача диссертационного исследования и приводится обоснование выбора объектов исследования.

Вторая глава «Методика и техника эксперимента» посвящена описанию экспериментальных методик и установок, используемых в лабораторном эксперименте по исследованию: 1) теплоемкости ДС в широком температурном интервале; 2) электрической проводимости и диэлектрической проницаемости ДС на частотах 0,1; 1 и 10 кГц. Рассматриваются условия проведения измерений, приводится описание методики подготовки образцов к экспериментальным исследованиям.

Помимо изучения свойств льда, полученного путем обычного замораживания дистиллированной воды в измерительных ячейках (объемный лед), также проводились исследования льда, полученного с использованием различных способов диспергирования (гранулированный лед, дробленый лед и гранулировано-дробленый лед), а также механическую смесь гранулированного льда и песка, размеры компонент которой не превышали 90 мкм

Калориметрические измерения. Для проведения тепловых измерений использован калориметр, построенный по двухкамерной схеме с наружной (фоновой) и внутренней (измерительной) камерами. Между ними с помощью электрического нагревателя на наружной камере поддерживается нулевая разность температур. Количество теплоты, идущей на нагревание внутренней камеры с исследуемым образцом, определяется по мощности встроенного в нее электрического нагревателя. Для контроля равенства температур камер используются анизотропные термоэлементы (АТЭ) из висмута, расположенные между камерами и позволяющие измерять тепловые потоки между ними по значениям поперечной термо-ЭДС. Подробное описание экспериментальной установки приведено в [4]

Измерения осуществлялись в парах жидкого азота при нагревании измерительной ячейки со скоростью ~ 1 К/мин. С учетом возможного ненулевого (малого) теплового потока через АТЭ: ,                         (1)

где J и U – сила тока и напряжение на внутренней печи, - поперечная термо-ЭДС батареи АТЭ, B – вольт-ваттная чувствительность батареи АТЭ при данной температуре, - поправочный член, учитывающий приток или отток тепла при неполном тепловом равновесии, - временной интервал между измерениями.

Вычисления теплоемкости образцов ДС производились по разностной методике между теплоемкостью заполненной веществом измерительной ячейки и теплоемкостью пустой измерительной ячейки . В результате . Удельная теплоемкость ДС с водой соответственно .

Анализ показал, что для удельной теплоемкости относительная погрешность отдельного измерения составляет около 6%.

Электрофизические измерения. Исследования электрофизических свойств ДС в электрических полях частотой 0,1; 1 и 10 кГц проводились с помощью измерительного конденсатора. В основе методики лежат исследования температурных зависимостей таких характеристик как проводимость (G), электрическая емкость (C) и добротность (Q) заполненного дисперсной средой конденсатора, измерения которых осуществлялись с помощь измерителя иммитанса Е7-14.

Блок регулирования и измерения температур состоит из термокамеры и устройств для регулировки, контроля и измерения температуры. Термокамера представляет собой деревянный ящик, на внутренние стенки и дно которого нанесена теплоизолирующая полимерная пена.

Внутрь термокамеры на специальном держателе помещается измерительная ячейка, расположенная в нагревательном элементе, позволяющем изменять температуру образца, а также скорость нагревания образцов. Охладителем в установке является жидкий азот, который заливается на дно термокамеры.

Скорость нагрева измерительной ячейки выбиралась из расчета однородности прогрева образца во всех точках. В опытах она составляла 0,5÷1 К/мин. Измерение температур производится с помощью медь-константановой термопары. Значения термо-ЭДС фиксировались цифровым вольтметром В7-54.

Электрическая емкость плоского конденсатора, как и его электрическая проводимость и добротность, измерялись непосредственно с помощь измерителя иммитанса Е7-14 на частотах 0,1; 1 и 10 кГц. На основании измеренной проводимости G плоского конденсатора, используя формулу: ,         (2)

где – площадь электродов ячейки, а – расстояние между электродами, можно оценить удельную электрическую проводимость σ ДС.

Действительная часть 1 и мнимая часть 2 комплексной диэлектрической проницаемости () определялись по измерениям емкости и добротности пустого и заполненного конденсатора (измерительной ячейки).

       (3)                ,       (4)

где - площадь электродов измерительной ячейки, - толщина заполненной ячейки, , , , - соответственно емкости и добротности заполненной и пустой ячеек.

Электрофизические измерения позволили определить характеристические параметры дебаевской частотной дисперсии:

и ,                        (5)

где - проводимость, ,- высокочастотная и низкочастотная проводимость, - действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости, , - высокочастотная и низкочастотная диэлектрическая проницаемость, - частота, - время релаксации, используя результаты измерений на трех частотах ω1, ω2 и ω3, определялись параметры, входящие в формулы Дебая. Методика определения характеристических параметров основана на решении системы трех уравнений, записанных для частот ω1, ω2 и ω3.

Относительной погрешности для величин , и составила 1,7 %

В третьей главе «Исследование теплофизических свойств механической смеси гранулированный лед – песок» приведены данные экспериментальных исследований температурных зависимостей удельной теплоемкости объемного и гранулированного льдов, а также температурных и концентрационных зависимостей удельной теплоемкости механической смеси гранулированный лед – песок с различным соотношением компонент.

Рис. 1

В ходе сравнения тепловых свойств объемного и гранулированного льдов были проведены две серии экспериментов. Типичные результаты первой серии экспериментов представлены на рис. 1.

Основной отличительной особенностью в поведении температурных зависимостей является то, что значения теплоемкости гранулированного льда меньше, чем у объемного льда во всем интервале температур. Этот факт был связан с существованием в гранулированном льду процессов, которые сопровождаются выделением энергии, и которых нет в объемном льду.

Используя формулу: ,         (6)

где T1 и T2– температура начала и конца эксперимента соответственно, Соб и Сгр – удельные теплоемкости объемного и гранулированного льдов соответственно, была оценена избыточная энергия гранулированного льда. В результате кДж/кг, что свидетельствует о том, что в гранулированном льду происходят процессы, сопровождаемые выделением энергии.

Для выявления проходящих в гранулированном льду процессов, была проведена серия сдвоенных экспериментов. Данная серия отличалась от первой тем, что в ходе эксперимента образец подвергался повторному замораживанию, т.е. измерения проводились в два прохода. Первый проход начинался сразу же после получения гранулированного льда и длился до тех пор, пока система не нагреется до температуры –15 –10 оС. При достижении обозначенной температуры образец повторно охлаждался до температуры жидкого азота, и эксперимент повторялся в обычном режиме.

Результаты данной серии экспериментов представлены на рис. 2.

Рис. 2

Анализ графиков показал, что температурная зависимость удельной теплоемкости гранулированного льда при первом проходе во всей области температур ведет себя аналогичным образом, что и при первой серии экспериментов, т.е. значения теплоемкости несколько меньше чем у объемного льда. При повторном проходе наблюдается увеличение теплоемкости до значений близких к объемному льду.

Специальным расчетом погрешности функции показано, что различия в значениях Суд для гранулированного льда в сдвоенном эксперименте, а также различия в значениях Суд для объемного и гранулированного льда (рис. 1) статистически достоверны.

Из всего этого можно сделать вывод, что наблюдаемые различия в значениях удельной теплоемкости для объемного и гранулированного льда, а также для гранулированного льда в сдвоенном эксперименте обусловлены физической природой проходящих в исследуемых средах процессов.

Различие в израсходованной энергии на нагревание обеих серий, найденное по формуле (6), составило кДж/кг.

Исходя из всего выше сказанного, можно сделать вывод, что в гранулированном льду происходят процессы, которых нет в объемном льду.

В результате анализа к таким процессам были отнесены:

1. эффект смачивания, который связан с возможным переходом КЖС с поверхности льда на стенки измерительной ячейки;

2. эффект стекания, происходящий под действием силы тяжести. Этот эффект приводит к образованию свободной воды на дне измерительной ячейки, которая начинает замерзать;

3. эффект восстановления стекающего КЖС через тепловую генерацию.

В рамках калориметрических исследований были проведены дополнительные эксперименты, которые показали, что в гранулированном льду действительно возникает эффект смачивания и переход воды из связанного состояния в свободное, с последующей ее кристаллизацией и разогревом среды за счет выделившейся энергии. К ним относятся

а) Эксперимент с гидрофобизацией стенок измерительной ячейки, подтвердивший выделение энергии при смачивании стенок измерительной ячейки.

б) Эксперимент по гравитационному стеканию КЖС с ледяных стержней, проводившийся в течение 86 суток.

в) Эксперимент по дополнительному выделению энергии при стекании слоя воды с поверхности гранул льда и последующим ее замерзанием на дне измерительной ячейки. В течение 750 часов наблюдалась повышенная на
1 – 2 оС температура по сравнению с температурой окружающей среды -25 оС.

Вероятнее всего, процесс образования КЖС с изменением температуры происходит по групповому механизму. Поэтому, исходя из представлений о том, что температурная зависимость концентрации групп молекул имеет вид и что вклад в теплоемкость процесса образования пленки воды можно представить в виде , где - число групп молекул на единицу массы, - энергия, затрачиваемая на переход одной группы молекул в жидкую фазу (энергия активации), получаем .                         (7)

Рис. 3

Используя методику линеаризации функций, получаем и определяем (рис. 3) Учитывая, что , где - число молекул в одной группе, - энергия поверхностного натяжения в расчете на одну молекулу (на границе лед – вода составляет ), - теплота плавления на одну молекулу льда (), получаем, что на одну группу в среднем приходится 3-4 молекулы.

В рамках калориметрических исследований также была произведена попытка оценить толщину КЖС при различных температурах. Результат оценки представлен на рис. 4.

Рис. 4

Из-за неопределенности в определении количества молекул в группе (g) на рисунке приведены две зависимости.

Заметим, что полученные результаты являются завышенными в силу нескольких причин. Во-первых, процесс образования КЖС является не единственным и при расчетах необходимо учитывать также вклад в теплоемкость структурных дефектов и возможного изменения кристаллической структуры льда. Во-вторых, при расчетах толщины, КЖС был уподоблен тонкой пленке воды, что, возможно, не вполне соответствует действительности.

На рис. 5 представлены типичные температурные зависимости удельной теплоемкости для механической смеси гранулированный лед – песок при различных соотношениях компонент, полученные в ходе одинарных экспериментов. Обращает на себя внимание тот факт, что различие в теплоемкости для сухого песка и смеси с соотношением компонент 3:7 минимально и проявляется только при температурах выше -110С. По мере того, как объемная доля льда в смеси увеличивается, происходит увеличение теплоемкости, при этом ее значе-

Рис. 5

ния стремятся к значениям гранулированного льда.

Анализ температурных зависимостей удельной проводимости смеси, полученных в ходе сдвоенных экспериментов (рис. 6), показывает, что для всех представленных соотношений имеет место небольшое увеличение удельной теплоемкости при повторном проходе во время эксперимента. Это может быть связано с эффектом смачивания.

Рис. 6

Выделение энергии, обусловленное переходом воды с гранул льда на гранулы песка в калориметрической ячейке, наблюдалось в специальных экспериментах при послойной засыпке льда и песка, проведенных при температуре
-10±2 оС.

Интересные факты показала проверка формул смеси. Удельная теплоемкость смеси складывается из удельных теплоемкостей каждой компоненты в отдельности, т.е. , где и - удельные теплоемкости льда и песка соответственно, и - процентное соотношение компонент в смеси, вычисляемые по формулам: , .

В качестве использовались значения удельной теплоемкости объемного льда . На рис. 7 представлены результаты расчета.

Рис. 7

Из рисунков видно, что при первом проходе график температурной зависимости расчетной удельной теплоемкости лежит выше по сравнению с экспериментально снятой зависимостью. При втором проходе для приведенных соотношений различия между расчетной и экспериментально снятой температурными зависимостями удельной теплоемкости не наблюдается. Это свидетельствует о том, что с течением времени механическая смесь гранулированного льда и песка переходит в стационарное состояние, при котором теплоемкость системы становится аддитивной величиной.

Четвертая глава «Исследование электрических свойств механической смеси гранулированный лед – песок» содержит данные исследований температурных зависимостей удельной электрической проводимости объемных и диспергированных льдов на частотах 0,1; 1 и 10 кГц, а также данные экспериментальных исследований температурно-концентрационных зависимостей удельной электрической проводимости механической смеси гранулированного льда с песком при различном соотношении компонент на частотах 0,1; 1 и 10 кГц.

Проведены исследования температурных зависимостей удельной проводимости объемных и диспергированных льдов, на которых можно выделить 4 температурные области. В первой области температур 80150К проводимость слабо зависит от температур. Во второй области 150200К наблюдается экспоненциальный рост по закону . Расчет энергии активации в этой области представлен в таблице 4.1.

Таблица 4.1 Энергия активации электрической проводимости

100 Гц

1кГц

10кГц

Лед однократной дистилляции

0,20 эВ

0,24 эВ

0,25 эВ

Лед двойной дистилляции

0,18 эВ

0,20 эВ

0,20 эВ

Гранулированный лед

0,09 эВ

0,13 эВ

0,14 эВ

Дробленый лед

0,16 эВ

0,15 эВ

0,16 эВ

Дроблено-гранулированный лед

0,04 эВ

0,12 эВ

0,14 эВ

Третья область температур расположена при 200250К. В данной области температур при 100 Гц удельная проводимость или убывает, или является постоянной. При больших частотах на зависимости наблюдается переход к . В четвертой области температур при Т>250K наблюдается рост по причине предплавления льда.

В соответствии с теорией Дебая рассчитаны характеристические параметры и , на основе которых, по теории Жаккарда [5,6], были получены температурные зависимости проводимости по ориентационным и ионным дефектам. В результате выяснено, что наибольший вклад в общую проводимость оказывают ориентационные дефекты во льду.

При изучении механической смеси гранулированный лед - песок были получены и проанализированы температурные зависимости приведенной (, где - объемное содержание льда в ДС) к объемному льду удельной электрической проводимости ДС от температуры (рис. 8).

Рис. 8

Из графиков видно, что добавление песка приводит к увеличению , однако это не связано с его высокой проводимостью. Этот факт свидетельствует о том, что гранулы песка оказываются покрытыми пленкой воды, которая создает проводящие дорожки. Появление воды на гранулах песка является следствием перехода квазижидкого слоя с поверхности гранул льда на поверхность гранул песка.

Дальнейшие исследования и расчеты дебаевских характеристик позволили выявить, что добавление песка к гранулированному льду приводит к увеличению

Пятая глава «Исследование диэлектрических свойств механической смеси гранулированный лед – песок» содержит данные экспериментальных исследований температурных зависимостей диэлектрической проницаемости объемных и диспергированных льдов, а также температурно-концентрационных зависимостей диэлектрической проницаемости механической смеси гранулированный лед – песок на частотах 0,1; 1 и 10 кГц.

Проведенные исследования по изучения температурных зависимостей действительной части комплексной диэлектрической проницаемости объемных и диспергированных льдов позволили выявить 3 характерные температурные области.

В первой области наблюдается отсутствие температурной зависимости диэлектрической проницаемости, однако верхняя граница этой области смещается со 150К к 200К с увеличением частоты. Расчет показывает, что теория Дебая выполняется не для всех температур. Это хорошо видно в низкотемпературной (Т<150К) области рассматриваемых графиков. Также в этой области отсутствует частотная дисперсия. Вторая область характеризуется резким увеличением значений диэлектрической проницаемости при росте температуры и отсутствием зависимости от чистоты льда. В третьей области (Т>200К) продолжается увеличение значений и начинает сильно сказываться как степень очистки льда, так и способ диспергирования.

Температурные зависимости подобны температурным зависимостям электрической проводимости в соответствии со связью .

В рамках теории диэлектрических свойств льда в отрицательной области температур, используя рассчитанные дебаевские параметры ( и ) и представления об ионной и ориентационной поляризации диэлектриков, а также основываясь на результатах работ Тонконогова [7] и Петренко [3], рассчитана длина пробега ориентационных дефектов, которая с ростом температуры уменьшается на 2 порядка как для объемного льда, так и для диспергированных.

Для проверки соответствия теории диэлектрических свойств льда экспериментальным фактам введен параметр , который для дебаевской частотной дисперсии должен находится в пределах между () и (), где и дебаевское время релаксации электрической проводимости и диэлектрической проницаемости соответственно (рис. 9).

Рис. 9

Рис. 10

В рамках исследования диэлектрических свойств механической смеси гранулированный лед – песок были получены температурные зависимости действительной и мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости, которые по характеру не отличаются от подобных зависимостей для льдов.

Однако для параметра в системе гранулированный лед - песок обнаружилось, что его экспериментальные значения лежат ниже значений () (рис. 10). Появление заниженных значений А можно связать с отрицательным вкладом в квазиплазменных колебаний.

Рис. 11

Представим закон дисперсии для вклада квазиплазменных колебаний в действительную часть комплексной диэлектрической проницаемости в виде:

.

Тогда для частоты квазиплазменных колебаний получаем следующее выражение: , где - относительная часть объема, в которой наблюдаются квазиплазменные колебания.

Предположив, что , а рассчитанные значения, получаем температурную зависимость (рис. 11).

С точки зрения эксперимента . Если (1%), то для получаем . Для плазменной частоты невзаимодействующих свободных протонов , где n – концентрация этих областей. При и имеем . Несоответствие теоретических и экспериментальных результатов можно связать с эффектом коллективных колебаний. Сближение результатов можно получить, опираясь на гипотезу о существовании областей синхронных колебаний молекул [8]. Если такая область содержит N=1010 молекул [8], то плазменная частота уменьшается в необходимые 105 раз.

Основываясь на формуле К. Лихтенеккера: , где , а был проведен анализ смеси с точки зрения формул смеси. Модель смеси включает: гранулы льда, покрытые тонкой пленкой квазижидкого слоя, воздух, гранулы песка, покрытые пленкой связанной воды (частицы).

Рис. 12

Рис. 13

При n=0,5 и учетом того, что для смеси выполняется соотношение , формула Лихтенеккера выглядит . Здесь индекс “л” относится к гранулам льда, а “ч” – к частицам, которые представляют собой гранулы песка, покрытых тонкой пленкой воды (рис. 12). При расчетах значений брались из экспериментов с гранулированным льдом.

Второй вариант (n=1) следует из представления, что слои в конденсаторе располагаются перпендикулярно обкладкам, т.е. параллельно полю. (рис. 13).

Уменьшение при повышении содержания гранул льда в смеси (уменьшение ) происходит по причине покрытия гранул песка тонкой пленкой воды, переходящей с гранул льда. При n=1 переходит в область отрицательных значений при . Т.к. для сухого песка , то естественно предположить, что отрицательные значения следует связать с пленкой воды, покрывающей гранулы песка.

Основные результаты и выводы работы

Основные результаты, полученные в диссертационном исследовании в соответствии с поставленными задачами, состоят в следующем.

1. Исследованы температурные зависимости теплофизических свойств объемного и гранулированного льдов. В результате:

а) установлено, что объемный лед обладает большей удельной теплоемкостью по сравнению с гранулированным льдом;

б) установлено, что, начиная с температуры -107 оС, на поверхности льда формируется тонкая пленка воды (квазижидкий слой (КЖС)), которая увеличивается по мере повышения температуры;

в) определена энергия активации () образования КЖС;

г) определена толщина квазижидкого слоя на поверхности гранул льда в зависимости от температуры;

д) в экспериментах с гранулированным льдом обнаружен эффект, в результате которого жидкостный слой с поверхности гранул может переходить на стенки измерительной ячейки, что сопровождается выделением теплоты;

е) в гранулированном льду обнаружен эффект стекания, в ходе которого связанная с поверхностью гранул льда вода под действием силы тяжести стекает на дно измерительной ячейки, где, становясь свободной, замерзает с выделением количества теплоты. Выделившееся при кристаллизации свободной воды количество теплоты вместе с теплом образования КЖС является причиной различия в температурных зависимостях удельных теплоемкостей объемного и гранулированного льда.

2. Исследованы температурные и концентрационные зависимости теплофизических свойств механической смеси гранулированный лед – песок. При этом:

а) установлено, что происходит переход воды с поверхности гранул льда на гранулы песка, сопровождающийся выделением энергии и повышением температуры в измерительной ячейке;

б) обнаружено, что с течением времени механическая смесь гранулированного льда и песка переходит в стационарное состояние, при котором теплоемкость системы становится аддитивной величиной;

в) при использовании методики послойной засыпки гранул льда и песка обнаружено выделение энергии, обусловленное замерзанием части воды, переходящей с гранул льда.

3. Исследованы температурные зависимости электрических свойств объемных и диспергированных льдов 3-х видов (гранулированный ГЛ, дробленый ДЛ, гранулировано-дробленый ГДЛ) и проведен их сравнительный анализ; определены дебаевские характеристические параметры () по трехчастотной методике. В итоге:

а) обнаружено, что удельная электрическая проводимость для объемного льда однократной дистилляции больше, чем при двукратной, по причине влияния примесей;

б) сравнение проводимостей различных видов диспергированных льдов указывает на возрастание проводимости по направлению ГЛЉДГЛЉДЛ, что связано с дополнительной генерацией носителей при разрывах связей в процессе дробления;

в) установлено, что значения электрической проводимости ГЛ приведенной к объемному льду наиболее близки к значениям электрической проводимости объемного льда;

г) по результатам определения дебаевских характеристик ( и ) были получены температурные зависимости проводимости по ориентационным и ионным дефектам, которые показали, что наибольший вклад в общую проводимость оказывают ориентационные дефекты во льду.

4. Исследованы температурные и концентрационные зависимости электрических свойств механической смеси гранулированный лед – песок на частотах 0,1; 1 и 10 кГц; определены дебаевские характеристические параметры () по трехчастотной методике. В результате:

а) обнаружено увеличение приведенных к объемному льду значений электрической проводимости при добавлении песка к гранулированному льду;

Этот факт связан с тем, что гранулы песка покрыты пленкой воды, в результате перехода КЖС с поверхности гранул льда, которая создает проводящие дорожки;

б) по результатам определения дебаевских характеристик ( и ) были получены температурные зависимости проводимости по ориентационным и ионным дефектам, которые показали, что добавление песка к гранулированному льду приводит к увеличению проводимости по ориентационным дефектам во всем интервале температур, но, в тоже время, практически не сказывается на проводимости по ионным дефектам;

5. Исследованы температурные зависимости действительной и мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости объемного и диспергированных льдов на частотах 0,1; 1 и 10 кГц, проведен их сравнительный анализ; определены дебаевские характеристические параметры () по трехчастотной методике. В итоге:

а) было обнаружено, что при переходе от объемного льда к диспергированным наблюдается уменьшение значений диэлектрической проницаемости;

б) на основании полученных данных для дебаевских характеристик ( и ) и теории Жаккарда было получено, что поляризация льда, связанная с перемещением ориентационных дефектов осуществляет больший вклад в общую поляризацию льда, чем ориентационный механизм поляризации;

в) на основе модели дебаевской релаксационной поляризации получена формула, связывающая электрические и диэлектрические свойства

.

6. Исследованы температурные и концентрационные зависимости действительной и мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости механической смеси гранулированный лед – песок на частотах 0,1; 1 и 10 кГц, определены дебаевские характеристические параметры () по трехчастотной методике. В результате:

а) отмечено, что значения находится в обратной зависимости от концентрации льда в механической смеси гранулированный лед - песок, постепенно приближаясь к значениям атмосферно сухого песка, что, вероятно, связано с относительной толщиной КЖС на поверхности гранул;

б) обнаружен отрицательный вклад воды, перешедшей на гранулы песка с гранул льда, в диэлектрическую проницаемость механической смеси гранулированный лед - песок;

в) определен критерий существования квазиплазменных колебаний

;

г) обсуждены диэлектрические свойства механической смеси на основе формул смесей. Модель смеси включает: гранулы льда, воздух, гранулы песка, покрытые пленкой связанной воды (частицы). Главной целью обсуждения явилось обнаружение отличия диэлектрической проницаемости частиц от диэлектрической проницаемости гранул песка.

Цитируемая литература

  1. Mizino Y. Studies of surface properties of ice using nuclear magnetic resonance / Y. Mizino, N. Hanafusa // Journal de Physique, 1987, 48. – P. 511 – 517.
  2. Головин Ю.И. Эффект полного восстановления поверхности льда после индетирования льда в температурном интервале 243 – 268К / Ю.И. Головин, А.А. Шибков, О.В. Шишкина // ФТТ, 2000, том 42, вып. 7. – С. 1250 – 1252.
  3. Petrenko V.F. Physics of ice / V.F. Petrenko, R.W. Whitworth. NY: Oxford University Press, 2006. – 373 p.
  4. Ешевский О.Ю. Фазовые переходы в пленках связанной влаги в многокомпонентных дисперсных средах природного и искусственного происхождения: Дис. … канд. физ.-мат. наук. Архангельск, 2003. – 189 с.
  5. Jaccard C. Electrical conductivity of the surface layers of ice / C. Jaccard // Physics of snow and ice: Proc. Int. Symp. V. 1. Hokkaido Univ, 1967. – P. 173–179.
  6. Jaccard C. tude thorique et exprimentale des proprits lectriques de la glace. / C. Jaccard // Helv. Phys. Acta 32 89 (1959)
  7. Тонконогов М.П. Диэлектрическая спектроскопия кристаллов с водородными связями. Протонная релаксация / М.П. Тонконогов // УФН, 1998, т.168, №1. – С. 24-54
  8. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды / Г.Н. Зацепина. – М.: Изд-во МГУ, 1987. 170 с.

Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в следующих работах:

    1. Копосов Г.Д. Электрофизические свойства объемного и дисперсного льда: сравнительный аспект / Г.Д. Копосов, А.В. Тягунин // Сорбционные и хроматографические процессы, 2007. Т.7, вып. 2. С. 353 361. (0,6 печ. л., авторских 50%)
    2. Копосов Г.Д. Особенности электрофизических свойств механических смесей лед песок / Г.Д. Копосов, А.В. Тягунин // Сорбционные и хроматографические процессы, 2008. Т.8, вып. 6. С. 910 916. (0,4 печ. л., авторских 50%)
    3. Копосов Г.Д. Диэлькометрия механических смесей гранулированный лед песок на частотах 0,1, 1 и 10 кГц / Г.Д. Копосов, А.В. Тягунин // Вестник Поморского университета. Серия естественных наук Арх-ск: Поморский университет, 2010, Вып. 3. С. 101 108. (0,5 печ. л., авторских 50%)
    4. Копосов Г.Д. Калориметрические исследования квазижидкого слоя на поверхности гранул льда / Г.Д. Копосов, А.В. Тягунин // Письма в ЖЭТФ, 2011.
      Т. 94, вып. 5. С. 406 409. (0,4 печ. л., авторских 50%)
    5. Копосов Г.Д. Критерий экспериментального выявления квазиплазменных колебаний при изучении электрофизических свойств мерзлых дисперсных систем / Г.Д. Копосов, А.В. Тягунин // Вестник Поморского университета. Сб. научн. тр. Вып. 2. Арх-ск: Поморский университет, 2011. С. 103 106. (0,2 печ. л., авторских 50%)
    6. Тягунин А.В. О природе противоречий в результатах измерений электрофизических свойств льда / А.В. Тягунин, Г.Д. Копосов // Труды III Всероссийской научн. конф. молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах». Краснодар, 2 – 5 октября 2006. С. 154 – 156. (0,2 печ. л., авторских 50%)
    7. Копосов Г.Д. Сравнительный анализ электрофизических свойств сплошного и гранулированного льда / Г.Д. Копосов, А.В. Тягунин // Матер. III Всероссийской конф. «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» ФАГРАН – 2006. Воронеж, 8 – 14 октября 2006 г. Т.2. С. 805 – 807. (0,2 печ. л., авторских 50%)
    8. Тягунин А.В Исследование электрофизических свойств механических смесей песок – гранулированный лед на частотах 0,1; 1, 10 кГц / А.В. Тягунин, Г.Д. Копосов // Физический вестник Поморского университета. Сб. научн. тр. Вып. 6. – Арх-ск: Поморский университет, 2007. – С. 110 –120. (0,6 печ. л., авторских 50%)
    9. Тягунин А.В. Калориметрические исследования механической смеси гранулированный лед – песок в диапазоне температур 90 – 290 К / А.В. Тягунин, Г.Д. Копосов // Физический вестник Поморского университета. Сб. научн. тр. Вып. 7. – Арх-ск: Поморский университет, 2008. – С. 56 – 62. (0,4 печ. л., авторских 50%)
    10. Тягунин А. В. Особенности электрофизических свойств механических смесей песка и гранулированного льда / А.В. Тягунин, Г.Д. Копосов // Физика диэлектриков (Диэлектрики-2008): материалы XI междунар. конф., Санкт-Петербург, 3–7 июня 2008. Т.1. СПб., 2008. С. 391–393. (0,6 печ. л., авторских 50%)
    11. Тягунин А.В. Динамика формирования пленки воды на поверхности льда /
      А.В. Тягунин // Вестник физического факультета Поморского университета. Сб. научн. тр. Вып. 8. – Арх-ск: Поморский университет, 2009. – С. 27 – 35. (0,6 печ. л.,
      авторских 100%)
    12. Тягунин А.В. Исследование тепловых свойств механических смесей гранулированный лед – песок в области отрицательных температур / А.В. Тягунин // Матер. региональной  научно-практической конф. «Молодежь – в науку». Архангельск, 11 декабря 2009 г. С. 123 – 126. (0,25 печ. л., авторских 100%)
    13. Копосов Г.Д. Поведение водных пленок воды на гранулах льда в калориметрических исследованиях / Г.Д. Копосов, А.В. Тягунин // Матер. V Всероссийской конф. «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» ФАГРАН – 2010. Воронеж, 3 – 8 октября 2010 г. Т.1. С. 362 – 366.
      (0,3 печ. л., авторских 50%)
    14. Копосов Г.Д. Об оценке частот квазиплазменных колебаний в электрофизических свойствах механических смесей лед - песок / Г.Д. Копосов, А.В. Тягунин,
      Д.Г. Копосов // Физический вестник Поморского университета. Сб. научн. тр. Вып. 9. – Арх-ск: Поморский университет, 2010. – С. 13 –19. (0,4 печ. л., авторских 30%)
    15. Копосов Г.Д. Стекание квазижидкого слоя на поверхности льда в гравитационном поле / Г.Д. Копосов, А.Н. Суровцев, А.В. Тягунин // Вестник физического факультета Поморского университета. Сб. научн. тр. Вып. 9. – Арх-ск: Поморский университет, 2010. – С. 59 –65. (0,4 печ. л., авторских 40%)
    16. Тягунин А.В. Исследование проникновения квазижидкого слоя с поверхности льда в грунт при отрицательных температурах / А.В. Тягунин, В.И. Егочина,
      А.Ю. Смирнова, И.А. Наговицын // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании '2010». – Одесса, 20 – 27 декабря 2010 г. Т.8, Физика и математика. – Одесса: Черноморье, 2010. – С. 78 – 80.
      (0,2 печ. л., авторских 30%).
    17. Копосов Г.Д. Оценка вклада квазиплазменных колебаний в диэлектрическую проницаемость мерзлых влагосодержащих дисперсных сред / Г.Д. Копосов, А.В. Тягунин, Д.Г. Копосов // Физика диэлектриков (Диэлектрики-2011): материалы XII междунар. конф., Санкт-Петербург, 23–26 мая 2011. Т.1. СПб., 2011. С. 81–83.
      (0,2 печ. л., авторских 40%).
 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.