Курсовая: Особенности фазовых превращений в бинарных смесях - текст курсовой. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Курсовая

Особенности фазовых превращений в бинарных смесях

Банк рефератов / Физика

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Курсовая работа
Язык курсовой: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Архив Zip, 322 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникальной курсовой работы

Узнайте стоимость написания уникальной работы

21 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. АКМУЛЛЫ» (ГОУ ВПО «БГПУ им. М. АКМУЛЛЫ») Факультет физико-математический Кафедра общей физики Специальность физика Курс IV ОСОБЕННОСТИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В БИНАРНЫХ СМЕСЯХ КУРСОВАЯ РАБОТА Научный руководитель д.ф.-м.н., профессор . Уфа 2007 СОДЕРЖАНИЕ Введение 1. Критические явления в двойных смесях 1.1. Критические явления при испарении двойных смесей 1.2. Критические явления растворения в двойных смесях 1.3. Критические явления и устойчивость по отношению к диффузии 1.4. Геометрическая интерпретация условия устойчивости по отношению к диффузии 2. Связь между условиями механической устойчивости и устойчивости по отношению к диффузии в двойных системах 3. Расслаивание в регулярных растворах 4. Фазовые переходы смачивания и предсмачивания в бинарной системе (метанол-гептан 5. Взаимная растворимость в твердом состоянии Приложение Литература ВВЕДЕНИЕ Важно, представлять, что проблема фазовых перехо дов не зависит от существования уравнения состояния, общего для обеих фаз. Такого рода не прерывное уравнение неизве стно, например, для твер дого тела и жидкости. Расчет условий сосуществования фаз, основываю щийся на использовании общего для них уравнения состояния и примене нии теоремы Максвелла, необходимо рассматривать как искусствен ный прием, который может привести к правильным результатам , но не может быть обоснован при последовательно м статистическом рассмотре нии . В действительности , при рассмотрении проблемы фазовых переходов, задача заключается в изучении мольной свободной энергии F / п. В области сосуществования двух фаз F / n является линейной функцией мольного объема, а давление остается постоянным. Термодина мика сама по себе не может ничего сказать ни о существовании таких об ластей, ни об их числе. Эта задача должна реш аться методами статистиче ской механики взаимодействующих систем, которые еще не вполне разра ботаны. Все же можно отметит ь, что фазовые переходы непосредственно связаны с числом геометрических измерений системы. Можно показать, что в одномерн ом случае, когда молекулы располагаются вдоль некоторой линии, фазовые переходы невозможны независимо от природы межмоле кулярных сил. Термодинамические свойства непрерывно изменяются во всей области изменения температуры и «объема», которым в данном случае является длина фазы. Общая формулировка условий, опреде ляющих возникновение н овой фазы, является важной проблемой теоретической физики, которая не нашла еще своего полного разрешения. 1. КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ДВОЙНЫХ СМЕСЯХ 1.1. КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ИСПАРЕНИИ ДВОЙНЫХ СМЕСЕЙ Рассмотрим теперь подробно кри тические явления, происходящие п ри испарении двойной смеси. В этом случае удобно рассматривать T — р- диа грам му при постоянном составе (рис. 1). При наличии одного чистого вещества получается просто кривая АС, оканчивающаяся в критической точке С. Когда ре чь идет о смеси постоянного состава, необходимо принять во внимание, что одной и той же температуре соответствуют два значения давления, одно из которых соответствует жидкости, а другое пару того же самого состава. Этим двум давлениям соответствуют две точки (Разумеется, жидкость и пар в этих состояниях не находятся в равновесии.) При повышении тем пературы м ы получаем кривую FGKH на рис.1 , левая ветвь которой от F до К соответствует жидкости, а правая ветвь КН — пару. Точка К является критической точкой, в которой обе фазы тождественны. Вблизи К расположены точка М, соответствующая темпе ратуре Т m и также точка L , соответствующая давлению р т . Нужно указать, что в некоторых системах положение точки К может отли чаться от изображенного на рис. 1: она может находиться не между L и М, но и левее L или ниже М. Установить это, конечно, можно только экспери ментом, Критическое давление и критич еская температура в случае двойной смеси имеют совершенно иной смысл, чем для чистого вещества. Так, максимальному давлению, при котором могут сосуществовать две фазы, соответствует точка L , а максимальной температурой, Рис.1 . T – p -Диаграмма дв ойной Рис.2 . Критическая кривая в смеси постоянного состава . сист еме С H С l 3 — С O 2 . А — крит ическая точка чистого С H С l 3 , В — крити ческая точка чистой СО 2 . . при которой возмож но сосуществование двух фаз, является температура Т т в точке М. В слу чае, изображенном на рис. 1, выше критического давления имеется, сле довательно, область давлении р с р т , в которой система может находить ся в конденсированном состоянии, и, аналогично, имеется область темпе ратур Т с Т m , расположенная выше критической температуры, в которой может происходить конденсация. Дл я чистого вещества эти три точки L , К и М совпадают, но для двойной смеси эхо не является необходимым. При рассм отрении рис. 1 обнаруживаются ещ е две интересные осо бенности. Если повышать температуру системы при постоянном давлении p 1 , то первоначально система содержит только жидкость. При пересечении изобары и кривой жидкости в точке G начинается испарение. В общем слу чае изобара затем пересечет ветвь кривой, соответствующую пару, и это будет соответствовать моменту полного испаре ния. Однако в рассматри ваемом н ами частном случае изобара снова пересекает кривую жидкости в точке D , расположенной между L и К. В этой точке имевшийся ранее пар исчезает. Это явление называется ретроградным испарением. По ту сторо ну D система переходит из жидкого состояния в газообразное без разделе ния на две фазы. Подобным же образом, если сжимать пар при температу ре Т 1 , при пересечении изотермы с кривой пара начинается конденсация. Однако изоте рма еще раз пересекает кривую п ара между точками М и К, и обра зовавшаяся было жидкость снова и спаряется. Это явление называ ют ретроградной конденсацией. Геометрическим местом критических точек, соответствующих последо вательности смесей различного состава, является критическая кривая, изображенная на рис. 2 . Помимо диаграммы Т — р при постоянном составе, полезно исследо вать завис имость мольных объемов обеих фаз от состава при постоянной температуре. Если температура ниже любой из критических температур па критической кривой, диаграмма имеет вид, изображенный на рис. 3 . Линия v a г v b г соответствует мольным объемам паровой фазы, линия v a ж v в ж относится к жидкой фазе. Прямые v a ж v a г , q ж q т , … , соединяю щие дв е фазы, находящиеся в равновесии , были на званы В ан дер Ваальсом бинодалями. Рис. 3. v — x -диаграмма двойной смеси ниже критической области (Т = const ). Рис. 4 . v — x - диаграмма двойной смеси в критической области (Т = const ). При температуре, лежащей между критическими температурами обра зующих смесь чистых компонентов, диаграмма v — x приобретает вид, изо браженный на рис. 4 . Бинодали становятся все короче и короче и, нако нец, исчезают в критической точке К. Кривая v a г r г Kr ж v a ж называемая кривой насыщения . Нужно отметить, что на рис. 3 и рис. 4 представлены лишь примеры типичного п ове дения смесей, и возможны также многие другие формы кри вых. 1.2. КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ РАСТВОРЕНИЯ В ДВОЙНЫХ СМЕСЯХ Помимо критических явлений п ри испарении, когда жидкая фаза ста новится тождественной газовой фазе, существуют также критические явле ния при растворении, при которых тождественными в критической точке становятся две жидкие или две твердые фазы, причем каждая из них явля ется раствором. Например, н -гексан и нитробензол при обычных давлениях смешивают ся в любых отношениях при температурах, превышающих 19° С. Ниже этой температуры образуются две фазы, одна из которых обогащена гексаном, другая — нитробензолом. При 10° С мольные доли нитробензола и гексана в одной из фаз равны соответственно 0,18 и 0,82, а в другой — 0,70 и 0,30 (см. рис. 5 ). В точке С обе жидкие фазы становятся одинаковыми. Эта точка назы вается критической точкой растворения. При изменении общего давления критическая температура и состав критической смеси также изменяются и образуют критическую кривую растворения. x C 6 H s NO 2 Повышение давления повышает кри тическую температуру растворения и вы зывает уменьшение взаимной растворимо сти веществ. Мы уже видели ранее, что давление оказывает незначительное влия ние на термодинамические свойства кон денсированных фаз; и в рассматриваемом случае повышение давления на 250 атм также изменяет критическую температу ру всего лишь на 1,6° С. Рис.5. Фазовая диаграмма системы н -гексан — нитробензол при атмосферном давлении. В приведен ных выше примерах критическая температура является наи высшей температурой, при которой воз можно сосуществов ание двух фаз; в таких случаях говорят о верхней критической температуре растворения. Иногда наблюдается и другой тип поведения систем, соответствующий рис. 6 , на котором изображена фазо вая диаграмма системы с нижней крити ческой температурой растворения. Ниже этой температуры система всегда образует одну устойчивую фазу. При мерами систем такого рода являются жидкая двуокись углерода — ни тробензол , диэ тиламин — вода и триэтиламин — вода. Рис.6. Фазовая диаграмма системы диэтиламин — вода с нижней критической температу рой растворения р = const ). Рис.7. Фазовая диаграмма системы м -толуидин— глицерин с верхней и нижней критическими температурами растворения (р= 1 атм) Наконец, существуют системы, обладающие как верхней, так и нижней критическими температурами -растворения. Примером является система м-толуидин — глицерин, фазовая диаграмма которой изображена на рис. 7 . 1.3. КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И УСТОЙЧИВОСТЬ ПО ОТНОШЕНИЮ К ДИФФУЗИИ При исследовании критических явлений в однокомпонентных системах мы видели, что существенное значение при этом имеет условие механиче ской устойчивости. Критическая точка, в сущности, отделяет области ме ханически устойчивых состояний от метастабильных и неустойчивых обла стей. В двойных системах необходимо, кроме того, принять во внимание ус ловие устойчивости по отношению к процессам диффузии. Фактически здесь именно э то условие определяет устойчивость системы. В пункте 2 вы ясним, почему условие механической у стойчивости не имеет никакого зн а че ния при определении равновесия в двойной системе. Условие равновесия по отношен ию к диффузии может быть записано в виде µ 12 = µ 22 < 0, что эквивалентно или (1) Эти условия можно проиллюстрировать на примере системы гексан — ни тробензол, фазовая диаграмма которой была приведена на рис. 5 . Если для ряда температур изобразить химиче ский потенциал ге ксана как функцию мольной доли нитробен зола при постоян ном давлении, мы получим семейство кри вых, схематически изображенное на рис. 8 . Выше 19° (кривая 1) имеется толь ко одна фаза, и условия (1) всегда вы полнены. Напротив, пиже 19° кривая (например, кривая 3) состоит из трех частей, а именн о из участка, со ответствующего слою, бо гатому ни тробензолом, участка, относяще гося к слою , Рис.8 . Изменение химиче ского богатому гексаном, и горизон тальной прямой, потенциала с составом при соединяющей эти участ ки и соответствующей постоянн ых Т и р . одновременному на личию двух фаз. Кривая при 19° С обр азу ет границу между этими двумя типами кривых. Горизонтальный отрезок на ней выродился в одну точку переги ба С, характеризуемую условиями (2) Критическое состояние устойчиво, так как Действительно, если химический потенциал fi t разложить в ряд в области, примыкающей к критической точке, то, пренебрегая членами высших по рядков, получим ( 3 ) Из рис.8 следует, что знак ( µ 1 - µ 1,с ) противоположен знаку ( х 2 – х 2,с ), и поэтому (4) 1.4. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПО ОТНОШЕНИЮ К ДИФФУЗИИ Так же, как и в случае системы, состоящей из одного вещества критической точки в двойной системе указывает на существова ние некоторой непрерывной последовательности состояния между двумя фазами, которые стан овятся идентичными в критической точке. Так, на рис.5 видно, что в системе гексан — нитробензол, повышая температуру выше 19°, можно перейти от слоя, богатого гексаном, к слою, богат ому нитробензолом, не наблюдая н и на одной из стадий этого про цесса возникновения новой фазы. Поэтому обе части кривой 3 на рис. 8 можно рассматривать как от резки непрерывной кривой FBMNAE на рис. 9 . Так же можно показать, что состояния между М и N неустойчивы и характеризуются условием (5) в то время как ВМ и AN соответствуют метастабильным состояниям. Гра ница между метастабильностью и неустойчивостью определяется точкой, в которой (6) условию устойчивости (1) можно придать форму (7) Это неравенство имеет простой геометрический смысл. Бели при посто янных Т и р откладывать g как функцию х 2 , то ( 7 ) означает, что, для того чтобы система была устойчивой, эта кривая должна быть обращена выпуклостью вниз (см. рис. 10 , кривая 1). Если кривая имеет вид 2 и между (некоторыми значениями х 2 имеется участок, обращенный выпук лостью вверх, то в этой области ( N М ) система не может находиться в со стоянии устойчивого равновесия и распадается на две фазы. Рис.9. Изменепие химического потенциала с составом при постоянных Т и р. Рис.10. Изменение средней свободной энергии Ги ббса ( g = G /п) с составом п р и постоянных Т и р. Мольные доли x 2 ’ и x 2 ’ компонента 2 в этих двух находящихся в равно весии фазах могут быть рассчитаны следующим образом. Так как µ является парциальной мольной величиной, g определяется соотношением ( 8 ) Используя получим (9) Условием истинного равновесия по отношению к распределению компо нента 2 между фазами является и ли (10) Аналогично, исходя из A 1 = 0, найдем (11) Подставляя в (1 0 ) значения х 1 = 1 — х 2 и подучим (12) Вычитая ( 11 ) из ( 12 ), видим, что в состоянии истинного равновесия (13) Подставив это выражение в ( 12 ), получим (14) Условия ( 13) и (14) такж е имеют простой геометрический смысл. Значения х 2 , соответствующие двум находящимся в равновесии фазам, т. е. х 2 ' и х 2 " , таковы, что функции g ’ и g ” имеют общую касательную АВ (см. рис. 10 ) . Легко показать, что отрезки AN и MB соответствуют со стояниям метастабильного равновесия, склонным к превращению в двух фазную систему. В связи с условиям ( 2 ) и ( 4 ), выполняющимся в крити ческой точке, можно придать вид (15) 2. СВЯЗЬ МЕЖДУ УСЛОВ ИЯМИ МЕХАНИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ ПО ОТНОШЕНИЮ К ДИФФУЗИИ В ДВОЙНЫХ СИСТЕМАХ Выясним теперь значение условия механической устойчивости в двойных системах (16) Если ввести мольную свободную энергию и мольный объем , неравенство (16) можно переписать в виде (17) В то же время условием устойчивости но отношению к диффузии является ( 7) , т. е. (18) Придадим теперь двум последним неравенствам более удобный для нас вид. Для э того прежде всего докажем, что (19) Действительно, в соответствии с F = U – TS и G = U – TS + pV = H – TS (20) Но (20.1) и значит (21) Уравнение (19) немедленно следует из (20) и (20.1). Продифференцировав (19) по x 2 при постоянных T и p , получим (22) Кроме того, (23) Подставляя (23) в (22), мы можем теперь переписать (18) в форме (24) Это условие устойчивости по отношению к диффузии должно выполняться одновременно с условием механической устойчивости (17). Для одновременного выполнения двух этих условий необходимо, чтобы (25) Найдем теперь границу, отделяющую устойчивые состояния от неустойчивых, и покажем, что при переходе из области, в которой выполнены оба неравенства (17) и (24), в область, в которой выполняется только одно из них, первым нарушается неравенство (24). Обращаясь к (24), мы видим, что нет причин, запрещающих одновременное выполнение условий (26) В этом случае уравнением искомой границы было бы (27) Если же предположить, что первым нарушается неравенство (17), т. е. уравнением границы является (28) то, как легко убедиться, при переходе из области, в которой выполнены ( 17 ) и ( 24 ), к границе, определяемой ( 28 ), мы необходимо долж ны перейти через область, в которой ( 24 ) оказывается нарушенным, так как отрицательный второй член превосходит первый при приближе нии к нулю. Таким образом, граница между устойчивыми и неустойчивыми состоя ниями должна определяться ( 27 ), и на этой границе в общем случае Искомая граничная поверхность в пространстве определяет ся, следовательно, уравнением (29) Условие механической устойчивости поэтому не принимает никакого уча стия в определении границы устойчивости, которая определяется только тем, что на граничной поверхности нарушается условие устойчивости по отношению к диффузии. Это является обоснованием метода, использовав шегося нами в п.1.3 и п.1.4 , в котором мы учитывали только условие устойчиво сти по отношению к диффузии. Рассмотрим теперь, каким образом условие механической устойчивости появляется при переходе к чистому веществу. Для этого запишем ( 29 ) в следующей эквивалентной форме: (30) Если теперь устремить х 2 к нулю, то, используя ( 19 ) и , легко убедиться, что (31) В то же время в общем случае остается конечной величиной. Вследствие этого ( 30 ) для чистого вещества снова приводит к тому, что граничным становится условие механической устойчивости (32) в полном соответствии с уравнением Диаграмма , которой мы уже пользовались, позволяет предста вить эти результаты в наглядной форме ( см. рис. 4. и 11 ). Кривая v a г k v a ж на рис. 11 — это кривая насыщения, с кото рой мы встреча лись на рис. 4 . Кривая AkB определяется уравнением ( 27 ); внутри нее расположены состояния, неустойчивые по отношению к диффузии. Ван дер Ва альсом эта кривая была названа спинодалъю. Критическая точка k лежит одновремен но и на кривой насыщения и на сп инодали. Кривая АКВ определена условием (33) и внутри ее не выполне ны ни условие устойчивости по отн ошению к диф фузии, ни условие механической устойчивости. Эта кривая не принимает участия в определении критической точки смеси. Очевидно, наконец, что при приближении к чистому веществу А спи нодаль и кривая, определяемая уравнением ( 33 ), сближаются друг с другом, что находится в соот ветствии с уравнениями ( 30 ) — ( 32 ). 3. РАССЛАИВАНИЕ В РЕГУЛЯРНЫХ РАСТВОРАХ Для того чтобы прийти к более кон кретным заключениям, необходимо знать зависимость коэффициентов ак тивн ости от независимых переменных Т, р и х 2 . Мы рассмотрим случай, при котором коэффициенты активности г 1 и г 2 определяются соотношениями (34) где б — постоянная величина, б i – активность компонента i , x i – мольная доля компонента , г i – коэффициент активности, Как будет показано ниже, такая зависимость коэффициентов активности от состава и температуры характерна для клас са растворов, называемых строго регулярными растворами и исследован ных в частности Гильдебра ндом и Фаулером и Гуггенгеймом . Физический смысл ( 34 ) будет рассмотрен ниже, пока же мы можем выяснить, к каким результатам приводит применение условий устойчиво сти в данном частном случае. Аналогичные расчеты можно произвести, исходя из любых других уравнений для коэффициентов активности, уста новленных экспериментально или выведенных теоретически. При выполнении ( 34) с учетом что , где - стандартный химический потенциал компонента i , - химический потенциал компонента i в чистом состоянии. тогда химические потенциалы имеют форму (35) (36) где функции и п о определению равны химическим по тенциалам чистых компонентов 1 и 2, находящихся в том же физическом состо янии , что и в растворе. Поэтому если система распадается на две фазы, то имеет одно и то же значение в обоих слоях, и это же спра ведливо по отношению . Дифференцируя (35 ), получим (37) Для того чтобы система находилась в равн овесном состоянии, устой чивом п о отношению к разделению на две фазы, в соответствии с необходимо и достаточно, чтобы (38) Если величина положительна и достаточно велика, то это нера венство не может выполняться при всех концентрациях. Поскольку макси мальным значением х 2 (1- х 2 ) является 0,25, минимальное значение равно 4. Поэтому для всех значений должна существовать область концентраций, в которой ( 38 ) не выполняется. В этой области система уже не находится в состоянии устойчивого равно весия и распадается на две фазы. Прежде всего, используя уравнения ( 2 ), можно рассчитать поло жение критической точки при данном давлении р. Если Т с и ( x 2 ) c — соот ветственно критическая температура и критический состав, то (39) (40) Откуда (41) Итак, уравнения ( 34 ) для коэффициентов активности приводят к критической точке, соответствующей эквимолекулярной смеси двух ком понентов. Кроме того, в этом случае мы всегда имеем дело с верхней кри тической температурой растворения, так как при Т > Т с неравенство ( 38 ) всегда выполняется и фаза являетс я устойчивой, независимо от ее с остава. Найдем теперь границу, отделяющую метастабиль ные состояния от неустойчивых. В соответствии с ( 6 ) и ( 37 ) уравнением этой грани цы является (42) или, после сочетания с ( 41 ), (43) Риг.11. - Диаграмма двойной смеси вблизи критической точки. 33 Рис.12. Расслоение ф аз в регулярном растворе при посто янном р. Наконец, нам необходимо знать кривую сосуществования двух слоев в истинном равновесии. На этой кривой должны выполняться условия и (44) или (см. ( 35) и (36) ) (45) Функции взаимно уничтожаются, и если т. е. если кривая симметрична, уравнения ( 45 ) стано вятся тождествен ными. Поэтому два уравнения ( 45 ) эквивалентны одному независимо м у уравнению. Выбирая первое из э тих уравнений и исключая , полу чим (46) откуда (см. ( 41 )) (47) Положение критической точки и кривых ( 43 ) и ( 47) схематиче ски изображено на рис. 12 . 4. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ СМАЧИВАНИЯ И ПРЕДСМАЧИВАНИЯ В БИНАРНОЙ СИСТЕМЕ ( МЕТАНОЛ-ГЕПТАН ) Фазовые переходы расслаивания в бинарн ых жидких смесях с ограниченной растворимостью сопровождаются возникновением поверхностных фаз и поверхностными фазовыми переходами. Вблизи критической температуры смешения поверхностное натяжение между жидкими фазами б и в стремится к нулю и появляются условия для поверхностных переходов, в частности, становится возможным образование смачивающего слоя одной из фаз, например фазы в , макроскопической толщины на межфазной поверхности бг , если выполняется условие для межфазных натяжений , где г – паровая или твердая фаза (стенки кюветы). Частным случаем являются переходы Канна между смачиванием и несмачиванием межфазной поверхности бг фазой в , когда смачивающая фаза устойчива в объеме (переход полного смачивания) или когда бинарная система однородна и одна из фаз (например, в ) только зарождается (переход предсмачивания). На фазовой диаграмме (рис.13) область переходов полного смачивания находится на отрезке DB кривой сосуществования ( KC ) . Рис.13 . Фазовая диаграмма бинарной системы с линией переходов предсмачивания: ADBC – кривая сосуществования для объемных фаз, DF – линия перехода предсмачивания, 1 и 2 – линии большой и малой адсорбции соответственно, Т с – критическая температура смешения в объеме, Т щ – температура перехода полного смачивания, Т SC – поверхностная критическая температура. Линия фазовых переходов предсмачивания, называемых также переходами тонкий – толстый слой, изображается отрезком DF , при пересечении ее системой справа налево толстый слой зарождающейся фазы в изменяет структуру и становится тонким. Экспериментально было обнаружено несколько бинарных систем, но долгое время не удавалось экспериментально подтвердить существование перехода предсмачивания, сейчас уже имеется несколько работ на эту тему. Рассмотрим переход полного смачивания в системе метанол-гептан на границе со стенкой кюветы. Был разработан метод выявления перехода предсмачивания на этой межфазной границе, что позволяло определить расположение линии переходов предсмачивания относительно KC . Измерения проводились методом предельного угла на модифицированном рефрактометре Пульфриха у вертикальной стенки кюветы (рис.14). Бинарная система метанол-гептан критической концентрации помещалась в запаянную цилиндрическую кювету из молибденового стекла диаметром ~ 4см. Торцевые окна – полированные оптические пластинки толщиной 1,5мм. – изготовлялись из того же стекла и припаивались к торцам цилиндра. Кюветы заполнялась на ѕ объема. К плоскому торцевому окну кюветы с помощью иммерсионной жидкости прикреплялся измерительный стеклянный кубик. Рис.14 . Устройство для измерения пристеночных значений показателя преломления: 1 – цилиндрическая кювета из стекла, 2 – бинарная смесь, 3 – измерительный кубик с показателем преломления N , 4 – световой луч, 5 ’ и 5 ” – лучи, выходящие из верхней и нижней фазы соответственно. Световой луч от натриевой лампы ( л = 589,9 нм) падает в кювету вертикально вдоль окна, проходит через верхнюю и нижнюю фазы, преломляясь на границе с кубиком под соответствующими предельными углами. Преломленные лучи выходят из кубика через нижнюю горизонтальную грань. Здесь луч попадает в зрительную трубу рефрактометра, угол выхода луча определяется по лимбу прибора. Отсчет нулевого угла производится по отражению от внешней вертикальной грани кубика с использованием автоколлимационной системы прибора. Кювета с бинарной смесью помещается в массивный латунный блок, по которому циркулирует вода из термостата. Блок укрепляется на месте кюветы в рефрактометре. Преломленные лучи выходят из кубика под углами ц i и наблюдаются в виде ярких линий в поле зрения окуляра. Показатели преломления соответствующих фаз определялись по формуле , где N – показатель преломления измерительного кубика. Измерения проводились при двух температурных режимах. При режиме 1 осуществлялось ступенчатое нагревание образца от 20 о С до критической температуры (Т с = 52,9 о С). При каждой температуре образец длительно термостатировался, после этого смесь перемешивалась путем встряхивания, и затем измерялся показатель преломления. Следующее измерение проводилось при большей температуре. При режиме 2 образец предварительно нагревался до температуры выше критической, перемешивался до однородного состояния и затем ступенчатым образом охлаждался с термостатированием в точках наблюдения. В режиме 2 встряхивание перед измерением не требовалось, так как система сама достигает равновесного состояния. При температурном режиме 1 было замечено (рис.15) скачкообразное изменение свойств системы в узком интервале температур: от 44,2 до 44,3 о С, состоящее в исчезновении сигнала от верхней фазы. Вся кривая температурной зависимости показателя преломления (ПП) может быть условно разделена на несколько областей. В области низких температур (20-44,2 о С) наблюдаются сигналы от обеих фаз. Вторая область (44,3-47,2 о С)начинается с исчезновения сигнала от верхней фазы в интервале 44,3-44,9 о С, она включает область нестабильности: заметен значительный разброс точек, при некоторых значениях температуры появляется сигнал от верхней фазы, который не воспроизводится при повторных измерениях. Рис.15 . Зависимость показателя преломления сосуществующих фаз системы метанол-гептан от температуры (ветвь 1 – верхняя фаза, обогащенная гептаном, ветвь 2 – нижняя фаза, обогащенная метанолом). Темные значки – пристеночные значения (температурный режим 1), светлые значки и сплошная линия – объемные значения, измеренные по другой методике. При температурах 47,1-52,9 о С хорошо видны два сигнала от обеих фаз. В окрестности температуры скачкообразного изменения свойств системы (44,3 о С) сигналы от каждой из обеих фаз представляются в виде нескольких линий (кратные линии). На рис.15 эти точки соединены отрезком прямой. При температурном режиме 2 результаты, относящиеся к нижней фазе (здесь не приведены), сходны с данными, полученными в режиме 1, особенно при низких температурах. Имеются и различия. Так, область устойчивого существования двух сигналов вблизи критической температуры при режиме 2 значительно меньше: 50-52,9 о С. Кроме того, при температурах ниже 50 о С сигнала от верхней фазы, как правило, нет, появляющиеся линии трактовались как нестабильные. Сигнал отсутствует даже после охлаждения до 20 о С. Только через сутки можно было видеть снова два сигнала при комнатной температуре. Описанные явления возникают потому, что при Т щ = 44,2 о С наступает полное смачивание стеклянной стенки нижней фазой, вследствие чего образуется толстый слой нижней фазы, вторгающийся между верхней фазой и стенкой. Так как нижняя фаза, обогащенная метанолом, имеет меньший ПП, чем верхняя, скользящий вдоль стенки луч света испытывает полное внутреннее отражение на вертикальной границе раздела верхняя фаза – вторгшийся слой и не наблюдается. Была сделана попытка наблюдать переход предсмачивания тонкий – толстый слой. Согласно теории, эти переходы происходят в области однородности на фазовой диаграмме (на рис.1 она расположена выше КС, вдоль отрезка DF ). Область между кривой ADBC и линией DF соответствует повышенной адсорбции, а область левее линии DF – малой абсорбции. Для создания таких условий был использован специальный температурный режим. Система метанол – гептан (тот же образец) нагревался до некоторой температуры Т 0 > Т щ вблизи температуры смачивания и перемешивалась путем встряхивания, при этом в системе устанавливались соответствующие температуре Т 0 концентрации фаз и сигнал от второй фазы в преломленном свете не наблюдался. До перемешивания образец термостатировался не менее 4 ч, после - около 2 ч. Затем система нагревалась еще на несколько десятых градуса, до температуры Т 1 = Т 0 + Д 1 Т и термостатировалась в течение 1 ч без перемешивания. При этом обе фазы фактически переводились в состояния, соответствующие точкам, лежащим выше линии сосуществования, так как естественная диффузия происходит очень медленно. (Было специально проверено, что объемный ПП фазы, пропорциональный концентрации, при нагревании системы без встряхивания остается неизменным, по крайней мере в течение нескольких часов.) Снова проверялось наличие сигнала от верхней фазы. Если он не наблюдался, температура увеличивалась еще на Д 2 Т также без встряхивания. После нескольких этапов нагревания достигалась температура, при которой сигнал от верхней фазы четко наблюдался. При дальнейшем повышении температуры без встряхивания в системе наблюдаются сигналы от обеих фаз. Полученный результат показывает, что при повышении температуры система перешла из области большой адсорбции (область 1 на рис.13) в область малой адсорбции (область 2 на рис.13), где смачивающий слой стал тонким и может пропустить свет, преломленный в верхней фазе. Следовательно, вертикаль на фазовой диаграмме температура-концентрация пересекла линию предсмачивания DF , которая лежит выше кривой сосуществования. Выбрав затем другую температуру перемешивания Т 2 и повторив всю описанную процедуру, мы исследовали поведение смачивающего слоя у системы при составе фаз на KC , соответствующем температуре Т 2 . Указанным методом бинарная система была исследована в интервале 44,3-46,6 о С. Результаты показаны на рис.16. В координатах ПП-температура представлен участок кривой сосуществования, темными кружками обозначены точки, в которых наблюдался сигнал только от нижней фазы (толстый слой), светлыми кружками – точки, в который наблюдалось два сигнала (тонкий слой). Кривая 2, проведенная между темными и светлыми кружками, есть линия переходов предсмачивания. Появление сигнала от верхней фазы служило индикатором того, что слой на границе со стенкой стал тонким. Доказательством того, что на кривой 2 происходит переход тонкий-толстый слой, может служить следующий факт. Как было отмечено выше, система, нагретая выше температуры Т щ , долго удерживает толстый смачивающий слой на стенке, и даже значительное понижение температуры не может вызвать исчезновение толстого смачивающего слоя иногда в течение суток. При этом система находится на КС. Полученные измерения показывали, что, как только система переходит в некоторую точку, лежащую выше КС, по схеме температурного режима 3, толстый слой сменяется тонким и наблюдаются сигналы от двух фаз. Был сделан вывод, что по-видимому, здесь имеет место другой «механизм» уменьшения толщины смачивающего слоя, а именно фазовый переход предсмачивания. предсмачивания. предельного угла для измерения ПП оказался достаточно чувствительным, чтобы фиксировать поверхностные слои на границе раздела жидкость-стенка. (Измеряемые величины соответствуют объемным значениям ПП.) В смесях в пристеночной области располагается адсорбционный слой, состав которого отличается от состава объемных фаз и зависит от химического сродства материала стенки к одному из компонентов смеси. Приведенные на рис.15 результаты представляют собой поверхностные значения ПП, сигнал от глубоко лежащих слоев может не проявиться, если их показатель преломления выше, чем у пристеночных слоев. (Сравнение с измеренными объемными значениями показателя преломления дается ниже.) В интервале между температурами смачивания Т щ и критической Т с наблюдается появление дополнительных сигналов (кратные линии). Они всегда воспроизводились и идентифицировались в работе как линии поверхностных слоев, соответствующих указанному участку КС. Так как область вблизи границы раздела, в которой происходит формирование преломленной волны под предельным углом, имеет толщину порядка длины световой волны, то можно предположить, что толщина пристеночных слоев имеет такой же порядок величины. Для того чтобы констатировать возникновение перехода смачивания нижней фазой поверхности стенки и вторжение слоя нижней фазы между верхней фазой и стенкой, а также обнаружить положение линии переходов предсмачивания, достаточно качественного наблюдения наличия сигнала от верхней фазы. Система метанол-гептан представляется очень выигрышной для таких исследований, во-первых, потому, что в этой системе вблизи стенки из молибденового стекла существуют переходы смачивания и предсмачивания, которые происходят, благодаря балансу сил натяжения на границе раздела и определенному соотношению радиусов действия межмолекулярных сил жидкость-жидкость и жидкость-стенка. Во-вторых, переходы наблюдаемы благодаря низкому показателю преломления вторгающейся фазы, обогащенной метанолом. Предлагаемым методом удается проследить кинетику смачивания, а также определить расположение линии перехода предсмачивания относительно КС в интервале температур 44,3-46,2 о С. Толщина толстого смачивающего слоя оценивалась как (1,5-2) л . Посчитано, что именно при таких толщинах слоя с ПП n 2 = 1,33, расположенного между средами с n 1 = 1,36 и n 3 = 1,5, при скользящем падении света происходит уменьшение интенсивности преломленного света в 50 раз. Тонкий слой может иметь толщину меньше 0,1 л . Эти оценки на несколько порядков превосходят толщину слоя в работе, где скачок толщины при переходе предсмачивания оценивается в 11 Е . В близкой окрестности критической точки смещения всегда наблюдалось появление сигнала от верхней фазы. При нагревании два сигнала наблюдаются в интервале 48-52,9 о С, при охлаждении температурная область сужается: 50-52,9 о С. Вблизи критической точки происходит уменьшение толщины смачивающего слоя (деветтинг) вследствие возрастания роли дальнодействующих сил. Наблюдаемое появление сигнала от верхней фазы могло быть подтверждением этого, так как наличие двух сигналов свидетельствует о малой толщине межфазного слоя. Однако при приближении к критической точке состав фаз сближается и разница в показателях преломления сосуществующих фаз становится меньше. В этих условиях пропускание слоем толщины d с ПП n 2 света, идущего из среды с ПП n 1 в среду с n 3 , существенно увеличивается. В таблице представлено ослабление интенсивности проходящего света Т( d = 0)/Т ( d
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Если мыслишь, то существуешь, если зарабатываешь, то живёшь.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, курсовая по физике "Особенности фазовых превращений в бинарных смесях", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru