Як ланцюжки і кластери з атомів, що з’являються в охолоджується рідини, впливають на процеси дифузії?

Нові дослідження учених з Німеччини в області електростатичної левітації дають розуміння того, як ланцюжки і кластери з атомів, що з’являються в охолоджується рідини, впливають на процеси дифузії. Робота показує, що при обговоренні дифузії і в’язкості рідини слід дуже обережно застосовувати найбільш поширене співвідношення – рівняння Стокса-Ейнштейна.

Динаміку рідини в чому визначають дві величини: коефіцієнти в’язкості і дифузії.

В’язкість є макроскопічної мірою опору рідини деформації зсуву, а дифузія визначає рух атомів в рідині на далекі відстані. При температурах багато великих точки замерзання, ці характеристики традиційно пов’язують рівняння Стокса-Ейнштейна.

Але численні дослідження показують, що

це рівняння не завжди добре описує характеристики щільних рідин. Один з найважливіших наукових питань, на які поки не існувало відповіді, полягав у тому, наскільки довго рідина може остигати, перш ніж рівняння Стокса-Ейнштейна втратить свій сенс.

Нещодавно опублікована робота вчених з Deutsches Zentrum für Luft – und Raumfahrt (Німеччина) показує, що співвідношення порушується при значно більш високих температурах, ніж очікувалося. Крім того, воно дає неправильну температурну залежність параметрів. Таким чином, для опису зв’язку руху окремих атомів необхідно шукати нове співвідношення.

Як було зазначено вище, в’язкість по відношенню до деформації зсуву, або просто в’язкість, відображає міру опору ламінарного потоку рідини деформації зсуву. Згідно рівняння Стокса, для руху сферичного тіла в такому потоці потрібна сила, пропорційна в’язкості, швидкості руху, а також радіусу цього тіла. Рівняння Стокса-Ейнштейна може бути отримано з цього співвідношення за допомогою виразу Больцмана для концентрації у рівноважному стані. Таким чином, рівняння Стокса-Ейнштейна виявляється справедливо для некоррелированного руху макроскопічних сфер в рідині. Оскільки рух окремих атомів і молекул в рідині при досить високих температурах не коррелировано, рівняння поширюється і на них. Однак деякі експериментальні дані свідчать про те, що спостерігається розбіжність теорії з практикою навіть у цих умовах.

При охолодженні рідини, постулат про те, що рух атомів не коррелированно порушується, відповідно, не працює і співвідношення Стокса-Ейнштейна. Не маючи точних вимірювань для коефіцієнтів в’язкості і дифузії, раніше вчені припускали, що співвідношення дотримується до певної критичної температури, обчислити яку дозволяє теорія переохолоджених рідин.

Ця теорія передбачає більшість властивості переохолоджених рідин, відповідно, вважалося, що вона може бути розширена на більш складні системи. Спираючись на розрахунки, дослідники вважали, що критична температура в середньому на 30% вище температури кристалізації. Але експериментальна перевірка цього факту була ускладнена тим, що для вимірювання коефіцієнтів в’язкості і дифузії потрібні зразки при різних зовнішніх умовах.

Математичне моделювання, проведене німецькими вченими, показало, що співвідношення Стокса-Ейнштейна порушується при набагато більш високих температурах. В традиційних експериментах головна проблема полягала в способі утримання рідини. Німецькі вчені знайшли спосіб утримувати краплю за допомогою електростатичної левітації, тобто виключили найбільш поширену проблему подібних експериментів. Використовуючи цю техніку, вчені виміряли в’язкість і коефіцієнт дифузії для ряду розплавів в широкому діапазоні температур і показали, що кореляція руху окремих атомів і молекул в рідині зберігається навіть при високих температурах.

На основі своїх експериментів вчені зробили припущення про те, що твір коефіцієнта дифузії на коефіцієнт в’язкості не пропорційно температурі, як вважалося раніше, а постійно, незалежно від температури.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *