Внутреннее неоднородное электромагнитное поле в критическом флюиде, ориентированное вертикально полем гравитации земли (стр. 5 )

       С помощью этого соотношения в [5,6] показано, что плотность вещества внутри малого флуктуационного объема   составляет величину ρф≥3ρк. Полученный результат о столь значительных плотностях вещества в малых флуктуационных объемах vф подтверждается экспериментальными данными оптической и нейтронной спектроскопии [84,85]. Этот результат ρф≥3ρк свидетельствует о том, что при высоких температурах вещества, близких к критической (T≥Tк), давление вещества Pф внутри флуктуационного объема vф значительно превышает критическое давление (Pф>>Pк). Для расчетов этих давлений было применено уравнение критической изотермы в степенном виде [86]

(P-Pк)/Pк =D0 [(ρ-ρк)/ρк]5  (18)

Используя в (18) величину плотности ρ≈ρф≥3ρк и амплитуду критической изотермы D0≈3,2 [34], рассчитано давление P≈Pф внутри флуктуационного объема vф:  Pф≈102 Pк>>Pк. На основе этого результата  сделан вывод [5,6], что при таких высоких значениях плотностей ρф≥3ρк, давлениях Pф≈102 Pк и температурах T≥Tк внутри флуктуационных образований энергия межмолекулярного взаимодействия должна значительно превышать энергию теплового движения молекул вещества (е1 >> kБTк).

8. Энергия внутреннего неоднородного электромагнитного поля КФ

Для агрументации этого утверждения первоначально была оценена работа образования флуктуаций параметра порядка ФТФП [4] Aф≈Fф=NфkБT=С0Rc-3~t3ν в одном моле вещества. Вдоль термодинамического направления критической изохоры в области температур t=(10-5÷10-1) эта работа характеризуется очень малой величиной Aф= Fф=(10-7÷1) Дж/моль.

Далее, используя в (17) плотность вещества ρф≥3ρк и давление Pф≥102Pк внутри флуктуации параметра порядка оценена величина большого термодинамического потенциала  в моле вещества ΩФ=|PфVк|≥102 КДж/моль >> Aф. Как видим, эта значение ΩФ значительно превосходит работу образования параметра порядка Aф. В то же время, значение ΩФ оказалось сравнимым по величине с энергией сублимации молекулы алюминия при образовании наночастиц Al2O3 при помощи СКФ H2O [87] Е=3⋅102 КДж/моль.

Исходя из динамической теории критических явлений [88,89] во флуктуационной области (t=(10-5÷10-2)) после определенного времени жизни τф≈(10-8÷10-6) c (τф ~Rc-1) флуктуация параметра порядка разрушается. Тогда вследствие сильного неравенства ΩФ>>Aф можно утверждать, что молекулы вещества распространяются со скоростями хф, значительно превышающими скорость теплового движения молекул хт (хф>>хт=(2kБTк/m)1/2), собираясь в ином месте в очередную флуктуацию параметра порядка (Рис. 9). Для КФ-H2O эти скорости составляют величину хф>>105 см/с.

Рис. 9.  Схематический вид образования и распада флуктуаций параметра порядка КФ вблизи КТ

В работах [5,6] величина скорости хф была рассчитана для конкретного случая образования наночастиц Al2O3 с помощью КФ-H2O [87]. Для этого  необходимо, чтобы кинетическая энергия молекулы воды W=mv2/2 при распаде флуктуации параметра порядка должна быть больше, чем энергия сублимации одной молекулы Al. Исходя из энергии сублимации одного моля Al Eс=301,7 кДж/моль, скорость движения молекул КФ-H2O должна составлять величину хф≈106÷107 см/с [6]. Такие же скорости распространения молекул вещества хф≈106÷107 см/с в воде могут быть получены, если использовать величину большого термодинамического потенциала в критическом состоянии ΩФ ≈105 Дж/моль. Как видим, эти скорости распространения молекул КФ-Н2О после распада флуктуации параметра порядка близки ко второй космической скорости хк≈хф≈102 км/с. Используя этот результат можно предположить, что в будущем на основе новых промышленных технологий КФ-Н2О может быть использован как топливо ракетных двигателей при полетах в космическое пространство. 

Исходя из больших энергий межмолекулярного взаимодействия (е1 >> kБTк) внутри малых флуктуационных объемов vф=4/3πRc3 можно спрогнозировать наличие больших градиентов внутренних радиальных электромагнитных полей е(r) внутри (r<Rc) и вне (r>Rc) этих флуктуационных образований. В связи с этим наличие неоднородных радиальных электромагнитных полей вне и внутри флуктуаций параметра порядка должно привести к высотному изменению внутреннего неоднородного электромагнитного поля всей макро-системы, |ДU(z, е(r))|=|Дм(z)|, связанного с радиальными полями отдельных флуктуаций параметра порядка е(r).

Исходя из величины большого термодинамического потенциала ΩФ=|PфVк|≥102 КДж/моль можно оценить также энергию электромагнитного поля флуктуаций параметра порядка Eф≈ΩФ=102 КДж/моль =1024 Э. В./моль. Можно предположить также, что такие энергии  электромагнитного поля флуктуаций параметра порядка также найдут в будущем свое практическое использование.

Примером использования энергии электромагнитного поля флуктуаций параметра порядка является усиление интенсивности светового пучка, проходящего через неоднородный КФ перпендикулярно градиенту высотного изменения этого неоднородного поля [90,91]. На основе полученных данных можно сделать выводы, что усиление светового пучка происходит за счет энергии внутреннего электромагнитного поля флуктуаций параметра порядка [4-6]. Полученные результаты согласуются с аналогичными выводами, представленными в работах [92,93]. В этих работах показано, что при распроспранения электромагнитных волн в нелинейных флуктуационных динамических системах с дисперсией вблизи критической точки или точек бифуркации эти электромагнитные волны имеют возможность увеличивать свою энергию за счет потенциальной энергии критических флуктуаций.

Возможности внедрений уникальных свойств КФ в новейших промышленных технологиях

На основе изложенного выше необходимо константировать, что приведенные выше результаты экспериментальных и теоретических исследований равновесных и кинетических свойств КФ, проведенных на физическом факультете Киевского национального университета крайне важны как в фундаментальном, так и в прикладном аспектах. Расширение этих научных исследований позволит более конкретно и целенаправленно указать условия и параметры технологических процессов, где уникальные свойства КФ могут быть успешно использованы в современных промышленных технологиях. К ним необходимо отнести следующее.

1 Дальнейшие фундаментальные исследования свойств внутреннего неоднородного электромагнитного поля в критическом флюиде |ΔU(h)|>>|h| с целью поиска возможностей практического использования энергии этого поля Eф≈ΩФ=102 КДж/моль =1024 Э. В./моль >>кБT в современных технологиях.

2 Поиски технологий синтеза качественно новых критических флюидов с фактором сжимаемости Zк=PкVк/RTк>1/3, обладающих наиболее экстремальными свойствами [5] с целью их промышленного использования в различных новейших технологиях.

3 Поиски путей практического применения больших скоростей распространения молекул критического флюида при распаде флуктуаций параметра порядка υ=106÷107 см/с≈10÷100 км/с, которые сравнимы со второй космической скоростью. Такое критическое состояние вещества может быть использовано при определенных условиях в качестве топлива для ракетных двигателей, а также как источник экологически чистой энергии, альтернативных видов топлива для двигателей будущего.

4 С целью энергетической экономии использовать свойства критического флюида не в сверхкритическом состоянии (T2>Tк), а в докритической области температур (T1<Tк, в паровой фазе). По сравнению с сверхкритическим флюидом T2>Tк разница температур T2-T1≈50 К, (t≈10-1). При этом следует учесть, что в паровой фазе вязкость критического флюида η(T<Tк)<<η(T>Tк), а коэффициент диффузии наоборот D(T<Tк)>>D(T>Tк).

5. Использование амплитуд a(Zк), k(Zк) [5,82] уравнений параметрического скейлинга, выраженных через фактор сжимаемости Zк=PкVк/RTк, позволяет построить трехмерные поверхности различных корреляционных, равновесных и кинетических характеристик критического флюида. Это позволяет определить P-V-T параметры этих поверхностей для более эффективного использования уникальных свойств КФ в новейших технологиях.

6. Предлагается новый технический подход для реализации быстрого приготовления критического флюида с заданными термодинамическими параметрами с высокой точностью в близкой окрестности критической точки. Для этой цели предлагается быстрое адиабатическое охлаждение системы от заданного начального P-V-T состояния и при заданном изменении объема ΔV системы с веществом. Построена необходимая для этих расчетов трехмерная фазовая диаграмма энтропии КФ, качественно отличающаяся от фазовой диаграммы симметричной модели Изинга [2].

7. Предложенный метод комплексного моделирования критического флюида «Всесторонний скейлинг» [94,95] во всем близком окружении критической точки позволил предложить новый подход к моделированию и управлению сложными системами. В основу этого моделирования может быть положена идея о качественном соответствии [96] механических и калорических свойств критического флюида на основе уравнений симметричной алгебры флуктуирующих величин с поведением сложной самоорганизованной системы (химической, биологической, экономической, социальной природы) с положительными и отрицательными обратными связями.

Актуальность продолжения фундаментальных исследований КФ

1. Дальнейшее развитие и усовершенствование модели системы вблизи КТ  - модель КФ - как газа флуктуаций параметра порядка со свойствами реального газа Ван-дер-Ваальса, учитывающий собственный объем флуктуаций параметра порядка, силы взаимодействия между ними на расстояниях r>Rc, энтропийный и другие факторы. Эта модель является основой для построения расширенного уравнения состояния КФ, амплитуды которого являются линейными функциями фактора сжимаемости вещества Zк=PкVк/RTк.