Внутреннее неоднородное электромагнитное поле в критическом флюиде, ориентированное вертикально полем гравитации земли (стр. 2 )

Для объективной экспериментальной проверки этого результата следует провести независимые экспериментальные исследования величины градиента давления или градиента химического потенциала в неоднородном КФ в поле гравитации Земли h=ρkgz⋅Pk-1.

3. Градиент давления в  критическом флюиде в поле гравитации земли

Для нахождения величины производной необходимо одновременно определить величины сжимаемости dρ*/dμ* и градиента плотности dρ*/dh в одной и той же неоднородной жидкости на одной экспериментальной установке в одинаковых условиях: при одинаковых температурах t и на одних и тех же высотах z неоднородной системы. Именно такие исследования впервые были проведены в работах [31,32] двумя оптическими методами: светорассеяния и рефрактометрическим [33,34]. Используя эти методы в одном эксперименте, были исследованы высотные и температурные зависимости интенсивности рассеянного света I(z, t)~dρ*/dμ*(z, t), коэффициента экстинкции ~I(z, t)~dρ*/dμ*(z, t), градиента показателя преломления вещества и градиента плотности вещества dn/dz(z, t)~dρ*/dh(z, t) в ряде неоднородных веществ: н-пентане, фреоне-113 вблизи КТ в поле гравитации Земли [31,32]. Совместное использование этих двух оптических методов позволило рассчитать величину градиента химического потенциала dμ*/dh=(dρ*/dh)⋅(dρ*/dμ*)-1 и его высотное изменение Δμ=dμ*/dh⋅h в поле гравитации Земли h.

На основе экспериментальных данных высотной и температурной зависимостей коэффициента экстинкции τ(z, t)~I(h, t)~dρ*/dμ* сжимаемость этих жидкостей dρ/dμ(z, t) ) была рассчитана в Рэлеевской гидродинамической области (τ~λ-4, qRc<<1) [35] по формуле:

dρ/dμ(z, t)=

(4)

Производная в  (4) при помощи формулы Лоренц-Лоренца [35] выражена через удельную рефракцию вещества r: .

Расчитанные таким способом величины сжимаемости веществ dρ/dμ(z, t) (4) вдоль предельных термодинамических направлений критической изохоры (h=0) и критической изотермы (t=0) были апроксимированы степенными соотношениями ФТФП (3):

(h=0)  βT*=  ;  Γ1=(5±0,5 )⋅10-2 ;  γ1=1,25±0,05,	(5)
(t=0)  βT*= ;  D1=(5±0,5 )⋅10-3  ;  δ= 4,8±0,2	(6)

Величины градиента плотности dρ*/dh в этих же объектах были рассчитаны по данным градиента показателя преломления dn/dz [31,32]. Их значения вдоль направлений критической изохоры и критической изотермы представлены в виде:

Γ2=7±0,5,  γ2=1,15±0,05	(7)
D2=(5±0,5)⋅10-1δ= 4,8±0,2	(8)

Полученные температурные и высотные зависимости производных dρ*/dh(h, t) и dρ*/dμ(h, t) [31,32] показаны на рис. 5, 6. 

Рис. 5	Рис. 6
Рис. 5. Температурные зависимости градиента плотности dρ*/dh*(h) – 1 и сжимаемости - βT*=dρ*/dμ*(h) – 2: - н-пентана и - фреона - 113 вдоль направлении критической изохоры (h = 0) Рис. 6. Полевые зависимости градиента плотности dρ*/dh*(h) – 1 и сжимаемости - βT*=dρ*/dμ*(h) – 2: - н-пентана и - фреона - 113 вдоль направлении критической изотермы (t=0)

Как видно из полученных результатов (5)-(8), значение сжимаемости dρ*/dμ* и градиента плотности dρ*/dh при одинаковых значениях h и t, определенные независимо от двух серий экспериментов согласно формул (5)- (8), отличаются между собой на два порядка (рис. 5, 6).

Представленные результаты (рис. 5,6) использованы для определения величин градиентов химического потенциала неоднородной жидкости в гравитационном поле вдоль направлений кртической изохоры (h=0) и критической изотермы (t=0), соответственно:

dμ*/dh(h=0)=(dρ*/dh)/(dρ*/dμ*)=Γ2/Γ1≈140 , dμ/dh(t=0)=D2/D1≈102

(9)

Из полученного результата (9) следует, що в неоднородной среде вблизи КТ высотное изменение химического потенциала и давления |Δμ(h)|=|ΔP(h)| значительно превышает высотное изменение гидростатического давления h (|Δμ(h)|=|ΔP(h)|=102|h|>>h). В связи с этим в работах [25,31,32] впервые был сделан  вывод,  что  в  неоднородной среде с крупномасштабными флуктуациями параметра порядка вблизи КТ под действием гравитационного поля h возникает внутреннее неоднородное поле ΔU(h), высотное изменение которого на два порядка превышает изменение гравитационного поля ⎪U(h)⎪=⎪Δμ(h)⎪≈⎪102h>>h⎪. Эти выводы подтверждены в дальнейшем в обзорных работах [34,36].

4. Микропоплавковый метод высотного измерения давления в неоднородном КФ

Для последующего подтверждения полученного результата ⎪ΔP=Δμ⎪≈102|h|>>|h⎪ в настоящей работе предлагается новый микропоплавковый метод экспериментального измерения  высотного изменения давления ΔP(z) в неоднородном КФ в поле гравитации Земли.

Микропоплавковый метод, первоначально был применен , и для определения высотного распределения плотности неоднородного вещества Δρ(z) вблизи КТ жидкость-пар [37-39].

Суть метода заключалась в том, что размещение в неоднородной среде вблизи КТ достаточно большого количества поплавков (n≥10) с известной средней плотностью-ρ(z) позволяет прямым методом определить эту плотность неоднородного вещества ρ(z)  в точках расположения поплавков.

  Для иллюстрации на рисунке 7. приведена фотография  высотного распределения кварцевых микропоплавков с различной средней плотностью в оптической камере с неоднородным бензолом при различных температурах выше и ниже критической [39].

Для сравнения этих экспериментальных данных-ρ(z) метода микропоплавков на рис. 8 представлены экспериментальные данные высотного распределения плотности неоднородного вещества – бензола при этих же температурах Т>Tк, T<Tк, полученные рефрактометрическим методом Теплера вблизи критической точки [39], рис. 8.

Анализ и сопоставление этих экспериментальных данных (рис. 7, 8) свидетельствует об их количественном соответствии во всей флуктуационной области ФТФП [4] при температурах как закритических (T>Tк), так и докритических (T<Tк).

В дальнейшем метод микропоплавков был использован в [40] как датчик давления – микропоплавковый манометр для измерения высотного распределения давления ΔP(z) в неоднородных системах вблизи критической точки. Для этого данный манометр был проградуирован по данным Р-V-T измерений [29,30] вблизи КТ при постоянной температуре вещества (Таблица 1).

 

Рис. 7. Высотное распределение кварцевых микропоплавков вблизи КТ с различной средней плотностью -ρ(z)  в оптической камере с неоднородным бензолом при различных температурах Т>Tк, T<Tк

Рис. 8. Высотное распределение плотности ρ(z)  в неоднородном бензоле при различных температурах по данным рефрактометрического метода Теплера [39].

         

Таблица 1.

В этой таблице сопоставлены градуировочные данные  Р-ρ-T измерений [29,30] в бензоле при температуре ΔT=T-Tк≈0,5 К в области изменения плотности ρ=(246,4÷372,2) кг/м3 с экспериментальными данными  -ρ(z) высотного распределения поплавков в оптической камере на высотах Δz=z-z0= (–3,5÷3,5) см. Здесь z0 - уровень с критической плотностью вещества.