Внутреннее неоднородное электромагнитное поле в критическом флюиде, ориентированное вертикально полем гравитации земли (стр. 1 )

ВНУТРЕННЕЕ НЕОДНОРОДНОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ В КРИТИЧЕСКОМ ФЛЮИДЕ, ОРИЕНТИРОВАННОЕ

ВЕРТИКАЛЬНО ПОЛЕМ ГРАВИТАЦИИ ЗЕМЛИ

Введение

В настоящее время значительно возрос интерес к экспериментальным и теоретическим исследованиям равновесных и кинетических свойств вещества в критическом состоянии, именуемом в научной литературе как сверхкритический флюид (СКФ) [1]. Интерес к этим исследованиям, в первую очередь, связан с широким практическим использованием уникальных свойств СКФ в новейших промышленных технологиях.

Перечень направлений практического использования СКФ очень широк: это космическая и энергетическая отрасли, химическая. медицинская, нефте-газовая, электронная и фармацевтическая промышленности; очистка окружающей среды от химического, бактериологического и радиоактивного заражения среды, изучение гидротермальных свойств СКФ, влияющих на формирование земной коры и многого другого. К сожалению, в настоящее время не выяснен истинный механизм физических процессов, ответственных за их успешное практическое использование.

Исходя из флуктуационной теории фазовых переходов (ФТФП) [2-4] в [5,6] этот механизм предлагается связать с флуктуационно-дисперсной структурой СКФ и нелинейными физическими процессами, происходящими в этом критическом состоянии вещества.

1. Флуктуационно-структурные характеристики СКФ – основа ФТФП

Согласно ФТФП [4] СКФ по своей структуре является флуктуационно-дисперсной системой - газом флуктуаций параметра порядка, размер которых определяется радиусом корреляции системы Rc. Флуктуационная часть термодинамического потенциала такой системы Fф вблизи КТ определяется соотношением, подобным уравнению энергии идеального газа.

  (1)

В этом соотношении Nф - число флуктуаций параметра порядка в одном моле вещества. В (1) параметр впервые связан с индивидуальными характеристиками вещества в критическом состоянии: критическими значениями плотности ρк, молярного объема Vк, критическим фактором сжимаемости Zк=PкVк/RTк, числом Авогадро NA; – плотность вещества внутри флуктуации параметра порядка.

Исходя из (1), основными структурными параметрами СКФ являются: Rc – радиус корреляции системы,  Nф~Rc-3 число флуктуаций параметра порядка в одном моле вещества. В научной литературе [7,8] это критическое флуктуационное состояние системы – СКФ, выделяют в отдельное агрегатное состояние вещества наряду с газом, жидкостью, твердым телом и плазмой. Согласно ФТФП [4], указанные флуктуационно-структурные характеристики вещества относятся не только к СКФ, но и ко всему состоянию системы в окрестности критической точки при температурах как сверх - (T>Tк) так и докритических (T<Tк). Поэтому в [5,6] данное критическое состояние вещества предложено именовать более общим термином как критический флюид (КФ).

Полевые и температурные зависимости этих структурных характеристик КФ: Rc(Δμ,t), Nф(Δμ,t)~Rc-3 исходя из соотношения (1) ФТФП [4] определяют вид степенных уравнений состояния вещества вдоль предельных критических направлений: критической изохоры, критической изотермы, границы раздела фаз [1]:

Δρ=dFф/dμ;  Δρ(t<0)=B0|t|β;

Δρ(t,Δμ→0)=Γ1Δμt-γ;  dρ/dμ)T(Δμ=0,t) =Γ1t-γ ;

Δρ(Δμ,t=0)=D1Δμ1/δ ;  (dρ/dμ)T(Δμ,t=0)=1/δ D1Δμ(1-δ)/δ  (2)

Δs=dFф/dt=S0t1-α ;  Cv= d2Fф/dt2=At-α

Здесь Δρ=(ρ-ρк)/ρк ; Δμ=(μ-μк)/μк  ; t=(T-Tк)/Tк  ; ρк, μк, Tк - критические значения плотности, химического потенциала и температуры вещества.

Именно из этих уравнений состояния КФ следуют его уникальные свойства, широко используемые в современных промышленных технологиях.

2. Явление гравитационного эффекта в критическом флюиде

Следует однако отметить, что представленный выше вид флуктуационной части термодинамического потенциала Fф (1) и уравнения состояния вещества (2) относятся к системам пространственно однородным. Однако в реальных условиях проведения физического эксперимента вследствие неограниченного возрастания сжимаемости вещества под действием поля гравитации Земли h=ρkgz⋅Pk-1 в состоянии равновесия КФ становится пространственно неоднородным по высоте.

При этом еще со времен Ван-дер-Ваальса полагалось [9], что первопричиной высотной неоднородности вещества является высотное изменение гидростатического давления h=ρkgz⋅Pk-1 (z – высота, отсчитанная от уровня с критической плотность вещества). В этом случае необходимо костатировать, что однородность системы, полученная ее перемешиванием,  не может быть признана равновесной. Через определенное время τ под действием внешнего поля h равновесная система обязательно станет неоднородной. В связи с этим для проверки вида равновесных степенных уравнений состояния (2) ФТФП необходимо использовать равновесные экспериментальные данные гравитационного эффекта ρ(h, T).

В этом случае уравнения состояния неоднородной системы в поле гравитации Земли h вместо уравнений ФТФП (2) вблизи термодинамических направлений: критической изохоры (Δμ→0) и критической изотермы (t→0) необходимо представить в виде

Δρ(t, h→0)=Γ2ht-γ;  dρ/dμ)T(h=0,t) =Γ2t-γ ;

Δρ(h, t=0)=D2h1/δ ;  (dρ/dh)T(h, t=0)=1/δ D2h(1-δ)/δ  (3)

При использовании соотношений (3) необходимо экспериментально установить, действительно ли в неоднородной системе в критическом состоянии с крупномасштабными флуктуациями параметра порядка [4] высотное изменение давления |ΔP*(z)|=|Δμ *(z)|=|h| определяется гидростатическим давлением h=ρkgz⋅Pk-1 . Для этого при анализе экспериментальных данных Δρ(ΔP, t) и Δρ(h, t) следует сравнить между собой величины амплитуд Γ1, Γ2  и D1, D2 в соотношениях (2), (3).

Первые систематические экспериментальные исследования явления гравитационного эффекта были начаты еще в 50-х годах прошлого столетия в работах Пальмера, Траубе, Шмидта, Лоренцена и др. [10-13]. Подобные исследования были проведены и в Украине в Киевском национальном университете имени (, , ) [14-18].

В настоящее время в Украине явление гравитационного эффекта продолжает изучаться на кафедре молекулярной физики Киевского национального университета имени Тараса Шевченко. Используя различные экспериментальные методы: рефрактометрический [14,15], молекулярного рассеяния света [18]; метод прохождения медленных нейтронов [19], исследуются высотные и температурные зависимости интенсивности рассеянного света I(z, T)~(dρ/dμ)T(z, T), градиента показателя преломления dn/dz(z, T), плотности ρ(z, T) вещества.

В качестве примера, на рис. 1-4 представлены экспериментальные данные высотной и температурной зависимости показателя преломления, плотности, градиента плотности, интенсивности рассеянного света ряда исследованных индивидуальных веществ вблизи критической температуры парообразования [19-24].

Рис. 1. Высотное распределение показателея преломления

в бензоле при различных температурах:

Т=561.65 К, 2. Т=561.77 К, 3. Т=561.90 К, 4. Т=562.27 К, 5. Т=562.69 К

Рис. 2	Рис. 3
Рис. 2. Высотная зависимость интенсивности рассеянного света в н-пентане для различных температур: ΔТ=(Т-Тк)>0 (рис.3)

Рис.  3. Высотные зависимости градиента плотности фреона-113 в области температур t=(Т-Тк)/Tк>0: 1. t=0.575⋅10-3, 2. t=1.910⋅10-3,  3. t=3.650⋅10-3

Рис. 4. Высотное распределение  плотности этана по высоте образца при различных темпераутрах T 0 C: 1 ­- 32,361; 2 - 32,257; 3 - 32,197; 4 - 32,043; 5 - 31,940; 6 - 31,579. 

Первичный качественный анализ этих данных гравитационного эффекта  (рис.1-4) показывает, что в поле гравитации Земли h=ρкgΔz/Pк в области температур t=10-5÷10-2 в камерах высотой L≈(1÷10) см показатель преломления n(z) изменяется на 1–3%, плотность ρ(z) - на 10÷15%. В то же время градиент показателя преломления , градиент плотности и интенсивности рассеянного света - изменяется с высотой  почти на два порядка (z – высота отсчитанная от уровня с критической плотностью вещества).

Проведенный нами в [25] более подробный, количественный анализ этих данных гравитационного эффекта Δρ(h, T)  в однокомпонентных веществах (CO2, этан, пентан, гептан, бензол и др. [19-28]) и их сопоставление с данными Δρ(P, T) P-ρ-T - измерений [29,30] впервые  показал, что в области температур |t|<10-1 одним и тем же значениям приведенной плотности Δρ=(ρ-ρk)/ρk≤10-1 уравнений состояния ФТФП [4] (2),(3) соответствуют существенно различные значения гравитационных полевых переменных ||=10-4 и величин относительных давлений |. Таким образом, анализ этих экспериментальных данных, впервые проведенный в [25], показал, что высотное изменение давления ΔP=(P-Pк)/Pк в таких неоднородных системах значительно превышает величину гидростатического давления h=ρкgΔz/Pк (|ΔP|= (10÷102)|h|>>|h|). Этот результат полностью подтверждается анализом всех иных экспериментальных данных по гравитационному эффекту в CO2 и этане [10-13] при сравнении их с P-ρ-T данными [29,30]. В этих экспериментах для одних и тех же значений плотности Δρ отношение полевых переменных PρT-измерений ΔP*(Δρ) и гравитационного эффекта h(Δρ) составляет величину ().