Термо - и концентрационнокапиллярные течения в тонких слоях жидкости (стр. 3 )

Тема 1. Объекты исследования микро - нанофлюидики (введение). Основные наблюдения и понятия. Общая характеристика и классификация физических объектов и процессов, относящихся к междисциплинарной области микро - нанофлюидике.

Тема 2. Межфазная поверхность жидкость/газ и жидкость/жидкость. Статика. Поверхностная энергия жидкостей. Структура поверхностного слоя жидкости. Поверхностное и межфазное натяжение. Закон Юнга. Мениск жидкости. Капиллярный подъём. Методы измерения поверхностного натяжения.

Тема 3. Поверхностно-активные вещества. Поверхностное натяжение растворов поверхностно-активных веществ и электролитов. Влияние температуры на поверхностное натяжение. Уравнение Лапласа. Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Классификация. Практические свойства. Агрегация ПАВ.

Тема 4. Тонкие пленки и прослойки. Расклинивающее давление. Мыльные плёнки. Чёрные плёнки. Поверхностные силы и расклинивающее давление. Методы измерения расклинивающего давления.

Тема 5. Испарение и конденсация. Аэрозоли. Гомогенная и гетерогенная нуклеация. Классификация ядер конденсации. Конденсационный рост капель. Методы измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц.

Тема 6. Диффузиофорез. Термофорез. Термо - и диффузионный механизмы осмоса. Осмотическое давление. Капиллярный осмос. Диффузиофорез. Термоосмос и термофорез.

Тема 7. Эффекты Марангони. Основы гидродинамики. Уравнения Навье-Стокса. Капиллярные и гравитационные волны. Ячейки Бенара. Эффект Плато-Гибса-Марангони. Течения, обусловленные градиентом поверхностного натяжения.

Тема 8. Безразмерные числа в межфазной гидродинамике. Рассматриваются наиболее часто применяемые в микрофлюидике безразмерные числа: Фурье, Пекле, Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля, Грасгофа, Фруда, Струхала, Якоба, Бонда, капиллярности, Марангони, Кнудсена.

Тема 9. Реология жидких сред. Течение жидкостей в микроканалах. Вязкие течения. Теория смазки. Вязкие неустойчивости: вязкие «пальцы» (Тейлора-Саффмана). Инерционные и вязкие эффекты.

Тема 10. Коллоидные системы. Устойчивость коллоидов. Коагуляция. Сферические мицеллы. Критическая концентрация мицеллообразования. Форма мицелл. Самосборка. Пены.

Тема 11. Межфазная граница жидкость/твердое тело. Краевой угол смачивания. Уравнение адсорбции Гиббса. Изотермы адсорбции. Гидрофобные и гидрофильные поверхности. Наступающий и отступающий краевой угол. Гистерезис контактного угла. Способы изменения краевого угла (химическая и физическая модификация поверхностей).

Тема 12. Физические основы и приборная реализация метода фотеконскопии. Фотеконограмма. Режим воздействия. Технические характеристики многоцелевого анализатора жидкостей «Фотекон». Обратная задача фотеконскопии. Классификация режимов измерения. Области применения метода фотеконскопии.

Тема 13. Пленки Ленгмюра-Блоджетт. Молекулярные слои Ленгмюра-Блоджетт. Полиморфизм монослоя. Поверхностное давление. π-А-изотермы. Весы Лангмюра. Перенос монослоев на твердые подложки. Области применения.

Тема 14. Компоненты микрофлюидных устройств (клапаны, насосы, сенсоры и др.). Проблемы течения и перемешивания в каналах малой толщины. Межфазные транспортные явления. Методы исследований (микро-PIV, AFM/SFA, FCS).

Тема 15. Лаборатория на чипе (lab-on-a-chip). Наночастицы и наноструктуры в аналитических микрочипах. Микрофлюидные чипы для ПЦР. Биосенсоры. Электрофоретическое разделение ДНК на микрофлюидном чипе.

Тема 16. Диссипативная структура «капельный кластер». Физические условия, необходимые для формирования капельного кластера. Процессы тепломассопереноса в капельном кластере.

Тема 17. Технологии на основе диссипативной структуры «капельный кластер». Метод визуализации течений вблизи межфазной поверхности жидкость-газ. Метод сверхточного дозирования растворов лекарственных и биологически активных веществ. Метод детектирования аэрозольных наночастиц.

6.  План лабораторных занятий.

Тема 1. Капиллярные волны на поверхности тонкого горизонтального слоя жидкости. (4 часа).

Тема 2. Диссипативная структура «ячейки Бенара» (4 часа).

Тема 3. Термо - и концентрационно-капиллярные течения жидких пленок (4 часа).

Тема 4. Термо - и концентрационно-капиллярный дрейф капель и пузырьков в ячейке Хеле-Шоу (4 часа).

Тема 5. Гистерезис краевого угла смачивания (4 часа).

Тема 6. Основы метода фотеконскопии (8 часов).

Тема 7. Диссипативная структура «Капельный кластер» (4 часа).

Тема 8. Технические приложения на основе явления «капельный кластер» (4 часа).

7.  Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля).

Примерные вопросы к экзамену

1. Поясните термины «Свободная поверхность» и «Поверхностное натяжение жидкости»?

2. Можно ли считать свободной поверхностью границу раздела двух не смешивающихся жидкостей?

3. Опишите основные свойства капиллярных волн.

4. Поясните физический смысл дилатационного модуля упругости пленки поверхностно-активного вещества.

5. Как зависит коэффициент затухания капиллярных волн от концентрации поверхностно-активного вещества? Объясните поведение этой зависимости.

6. По каким траекториям движутся жидкие частицы при распространении капиллярной волны?

7. Расскажите о методе измерения поверхностного натяжения, основанном на регистрации параметров капиллярных волн.

8. Расскажите историю открытия конвективных ячеек Бенара.

9. Какие механизмы конвективной неустойчивости могут реализовываться в однокомпонентных жидкостях? Если жидкость многокомпонентная?

10. Опишите процессы в горизонтальном слое жидкости со свободной поверхностью, происходящие по мере повышения температуры дна.

11. Выпишите систему уравнений, описывающую конвекцию Бенара-Марангони?

12. Что такое безразмерное число Марангони? В чем его физический смысл?

13. Какие типы конвективных ячеек Вы знаете?

14. Воспроизведите математическую постановку задачи об одномерном пленочном термокапиллярном течении.

15. Запишите и прокомментируйте формулы для вычисления скорости пленочных течений термо - и концентрационно-капиллярной природы. В чем их принципиальное отличие?

16. Что такое коэффициент адсорбции и как он влияет на направление пленочных течений?

17. В каких системах может наблюдаться явление, получившее название термоосмос? Капиллярный осмос?

18. В каких природных процессах наблюдается самопроизвольный дрейф капель и пузырьков, порождаемый свойствами поверхности раздела фаз.

19. Запишите формулу для вычисления скорости термокапиллярного дрейфа пузырька. Какие параметры системы оказывают наиболее сильное влияние на данную скорость.

20. В чем схожесть и в чем отличия термо - и диффузионно-капиллярных механизмов движения капель и пузырьков.

21. Запишите и прокомментируйте формулу для вычисления скорости концентрационно-капиллярного дрейфа пузырька.

22. Если в жидкости существует градиент концентрации примеси, повышающей поверхностное натяжение, в каком направлении в этом случае будет двигаться газовый пузырек?

23. Поясните термин «диссипативная структура».

24. Какие классические диссипативные структуры Вы знаете?

25. Опишите основные параметры типичного капельного кластера.

26. Перечислите физические механизмы, которые теоретически могут быть ответственны за устойчивость капель к коалесценции.

27. Какие процессы на Ваш взгляд могут давать эффект «мгновенного» исчезновения участков кластера, включающих десятки и сотни микрокапель?

28. Расскажите о научно-практических приложениях, в которых может найти применение диссипативная структура капельный кластер.

8.  Образовательные технологии.

В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Микро - и нанофлюидика» предусматривается использование в учебном процессе следующих активных и интерактивных форм проведения занятий:

·  лекции;

·  практические занятия;

·  лабораторные занятия.

9.  Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.

9.1. Основная литература:

1.  Шабаров, . - Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 20с. КХ(10), ЧЗ(1)

2.  Пригожин статистическая механика. – Москва, 20с. КХ(2)

3.  Сумм коллоидной химии. М., И. Ц. «Академия». 20с. АБ(50)

4.  Сычев, термодинамические системы - Москва: МЭИ, 20с. КХ(1)

________________________________________________________________

9.2. Дополнительная литература:

5.  , Федорец и концентрационно-капиллярные течения в тонких слоях жидкости. - Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 20с. АБ(40)

6.  Федорец . Тепломассоперенос в жидких пленках и каплях: Учебно-методические рекомендации для студентов физического факультета. - Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 20с. АБ(70)

7.  Ролдугин поверхности. - Долгопрудный.: Издательский дом «Интеллект», 20с. АБ(15)

8.  Суздалев : физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. - М.: КомКнига, 20с. АБ(13), КХ(2)

9.  , Чемоданов диагностика жидкостей. - Тюмень.: Издательство Тюменского государственного университета, 20с. АБ(100)

10.   . Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах/ пер. с англ. - Москва: Бином. Лаборатория знаний, 20с. КХ(1)

11.  , Микроэмульсии. Структура и динамика. - М.: Мир. 19с. КХ(1)

12.  , , . Поверхностно-активные вещества: Синтез, анализ, свойства, применение. - Ленинград: Химия, 19с. КХ(8)

9.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:

1.  Альбом течений жидкости и газа. http://www. imec. *****/content/nio/VanDaik

2.  Микрофлюидика. http://www. *****/2008/12/30/mikrofluidika_55128.html

10.  Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля).

Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием, лабораторная аудитория, лабораторная экспериментальная установка «Кластер», многоцелевой анализатор жидкостей «Фотекон».

Дополнения и изменения в рабочей программе на 201 / 201 учебный год

В рабочую программу вносятся следующие изменения:

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры ____________________ « »_______________201 г.

Заведующий кафедрой ___________________/___________________/

О.

Код компетенции	Формулировка компетенции*	Результаты обучения в целом**	Результаты обучения по уровням освоения материала	Виды занятий (лекции, практические, семинарские, лабораторные)	Оценочные средства (тесты, творческие работы, проекты и др.)
минимальный	базовый	повышенный
ОК-1	способностью демонстрировать углубленные знания в области математики и естественных наук	Знает: курс физики и математики, основы стационарного тепломассообмена, гидрогазодинамики	курс физики и математики, основы стационарного тепломассообмена, гидрогазодинамики	курс физики и курс высшей математики, основы нестационарного тепломассообмена, диф. уравнения конвекции, гидрогазодинамики	курс физики и основы математического анализа, стац. и нестац. тепломасообмен, конвекция, микромасштабной гидрогазодинамики, физико-химические методы исследования веществ	лабораторные занятия, лекции	решение учебных задач, комплексные ситуационные задания
Умеет: составлять математические модели физических процессов	применять знания об основных проблемах физики в простых жизненных ситуациях	применять знания об основных проблемах физики в сложных жизненных ситуациях	составлять математические модели физических процессов
Владеет: владеет разными компьютерными способами сбора, обработки и представления информации	навыками работы с компьютерными программами для составления презентаций	технологией использования естественнонаучных знаний; владеет разными компьютерными способами сбора, обработки и представления информации	компьютерными методами визуализации процессов
ПК-1	способностью свободно владеть фундаментальными разделами физики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со своей магистерской программой)	Знает: Основные термины, законы и явления фундаментальных разделов физики	Основные понятия и термины физики, его роль в изучении и формировании технологических процессов	Физико-математические закономерности и основные соотношения	Основные термины, законы и явления фундаментальных разделов физики	Лекции, лабораторные занятия	Работа с учебной литературой, выполнение домашнего задания
Умеет: Устанавливать причинно-следственные связи и формулировать логические выводы на основе экспериментальных и статических данных	Применять физические принципы и явления для решения научно-исследовательских задач	Выявлять и показывать основные технологические параметры и особенности технологического процесса	Устанавливать причинно-следственные связи и формулировать логические выводы на основе экспериментальных и статических данных
Владеет: Методикой сбора и обработки информации и использования ее в профессиональной деятельности	Методами решения задач для анализа объектов физики	Методами интерпретации физических явлений	Методикой сбора и обработки информации и использования ее в профессиональной деятельности
ПК-2	способностью использовать знания современных проблем физики, новейших достижений физики в своей научно-исследовательской деятельности	Знает: экспериментальные и теоретические методы изучения процессов тепломассопереноса в гетерогенных микромасштабных системах	современные проблемы физики, новейшие достижения в области экспериментальной гидрогазодинамики и теплофизики	основные фундаментальные разделы физики, основы тепломассообмена и гидрогазодинамики, компьютерные технологии	экспериментальные и теоретические методы изучения процессов тепломассопереноса в гетерогенных микромасштабных системах	лабораторные работы	отчет по лабораторной работе, ВКР, курсовая работа
Умеет: выбирать в зависимости от требуемых целей законы, формы, правила, приемы познавательной деятельности мышления	формулировать и решать задачи, возникающие в ходе научно-исследовательской деятельности	выбирать в зависимости от требуемых целей законы, формы, правила, приемы познавательной деятельности мышления;	Модифицировать и разрабатывать новые методы, исходя из задач конкретного исследования, обрабатывать полученные данные, представлять итоги проделанной работы в виде отчетов, рефератов, статей
Владеет: навыками самостоятельной научно-исследовательской деятельности, требующей широкого образования в соответствующем направлении	навыками постановки научно-исследовательской задачи	сбором доступной информации, представленной в данных различной природы; навыками работы с основными научными категориями; навыками работы в офисных компьютерных программах (Word, Excel, Power Point и т. д.)	навыками самостоятельной научно-исследовательской деятельности, требующей широкого образования в соответствующем направлении
ПК-3	способностью самостоятельно ставить конкретные задачи научных исследований в области физики (в соответствии с профилем магистерской программы) и решать их с помощью современной аппаратуры, оборудования, информационных технологий с использованием новейшего отечественного и зарубежного опыта	Знает: физические основы, законы и явления изучаемого процесса, видит связь данного явления	физические основы, законы и явления изучаемого процесса	физические основы, законы и явления изучаемого процесса, научные концепции, определяющие современный уровень знаний	физические основы, законы и явления изучаемого процесса, видит связь данного явления или процесса с подобными явлениями прикладной и фундаментальной физики	защита курсовых, дипломных работ (проектов), выступление на студенческих научных конференциях	решение научной проблемы при написании ВКР, если та возникла в ходе написания диссертации
Умеет: анализировать и интерпретировать полученные результаты в ходе профессиональной научной деятельности	использовать знания для решения профессиональных научных задач	использовать полученные результаты эксперимента и анализировать их с известными теоретическими результатами или практическими расчетами	анализировать и интерпретировать полученные результаты в ходе профессиональной научной деятельности
Владеет: методами проведения качественного и количественного анализа; способами решения научных проблем	навыками классификации и обобщения основ, законов и явлений изучаемого процесса	навыками проведения эксперимента и анализом полученных данных	методами проведения качественного и количественного анализа; способами решения научных проблем
ПК-6	способностью свободно владеть разделами физики, необходимыми для решения научно-инновационных задач (в соответствии с профилем подготовки)	Знает: Основные понятия и процессы нестационарного тепломассообмена и теплотехники, имеет представление о кипении и конденсации	Основные понятия и процессы стационарного тепломассообмена и теплотехники	Основные понятия и процессы нестационарного тепломассообмена и теплотехники	Основные понятия и процессы нестационарного тепломассообмена и теплотехники, имеет представление о кипении и конденсации	лабораторные работы	отчет по лабораторной работе, ВКР, курсовая работа
Умеет: применять методы решения задач с фазовыми переходами;	получать простейшие теплотехнические расчетные формулы для различных процессов движения жидкости и газов;	применять методы дифференциального и интегрального исчислений, при решении задач стационарного и нестационарного тепломассопереноса;	применять методы решения задач с фазовыми переходами;	лабораторные работы	отчет по лабораторной работе, ВКР, курсовая работа
Владеет: методами статистической обработки информации и визуализации процессов	методами теоретического и экспериментального анализа; навыками работы в офисных компьютерных программах (Word, Excel, Power Point и т. д.)	компьютерными методами обработки экспериментальных данных	методами статистической обработки информации и визуализации процессов	лабораторные работы	отчет по лабораторной работе, ВКР, курсовая работа
ПК-7	способностью свободно владеть профессиональными знаниями для анализа и синтеза физической информации (в соответствии с профилем подготовки)	Знает: Основные понятия и термины курса	Основные понятия физики школьного уровня	Основные понятия, законы разделов физики	Основные понятия и термины курса	лабораторные работы	отчет по лабораторной работе, ВКР, курсовая работа
Умеет: Применять полученные знания для интерпретации наблюдаемых объектов	Произвести сбор физической информации	Анализировать физическую информацию	Применять полученные знания для интерпретации наблюдаемых объектов	лабораторные работы	отчет по лабораторной работе, ВКР, курсовая работа
Владеет: профессиональными знаниями для анализа и синтеза физической информации	Способами и средствами сбора физической информацией	Способами и средствами сбора, анализа физической информации	профессиональными знаниями для анализа и синтеза физической информации	лабораторные работы	отчет по лабораторной работе, ВКР, курсовая работа