авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Низкочастотная диэлькометрия жидкостей в слабых вихревых электрических полях

-- [ Страница 1 ] --


На правах рукописи

СЕМИХИНА Людмила Петровна

НИЗКОЧАСТОТНАЯ ДИЭЛЬКОМЕТРИЯ ЖИДКОСТЕЙ В СЛАБЫХ ВИХРЕВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

01.04.01 приборы и методы экспериментальной физики

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Тюмень 2006

Работа выполнена на физическом факультете Тюменского государственного университета.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор

Галль Лидия Николаевна

----------------------------

Доктор физико-математических наук, профессор

Яфясов Адиль Маликович

----------------------------

Доктор физико-математических наук, профессор,

Сюняев Рустем Загидуллович

Ведущая организация – физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Защита состоится 26 января 2007 года в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.034.01 в Институте аналитического приборостроения Российской Академии наук по адресу: 190103, г. Санкт - Петербург, Рижский проспект, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института аналитического приборостроения Российской Академии наук.

Автореферат разослан « » 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,
к. ф.-м.н. А.П. Щербаков

Общая характеристика работы

Актуальность. Одной из важнейших задач экспериментальной физики было и остается установление на молекулярном и надмолекулярном уровне строения и свойств веществ. В настоящее время имеется достаточно четкое представление о свойствах газов и твердых тел. Однако до сих пор отсутствует единая точка зрения по поводу реальной молекулярной структуры жидкостей. Относительная бедность научной информации о строении жидкостей обусловлена, прежде всего, невероятной сложностью протекающих в них процессов, для адекватного описания которых необходимы методы регистрации молекулярных и надмолекулярных процессов в очень широком диапазоне характерных времен – от 10-14 сек до единиц секунд.

То, что существующих экспериментальных методов недостаточно для полного понимания особенности жидкого состояния веществ, особенно очевидно на примере воды, которая, несмотря на доскональное исследование всеми существующими экспериментальными методами, сохраняет свою загадочность. Более того, отмечается, что попытки глубже проникнуть в сущность природы воды приводят лишь к увеличению числа загадок. Высказываются сомнения даже по самой возможности понимания всей совокупности ее специфических особенностей.

Сложность интерпретации свойств жидкого состояния вещества многократно возрастает при описании растворов, которыми являются все реальные жидкости. Универсальных экспериментальных способов определения состава, структуры и концентраций ассоциатов и комплексов, возникающих в растворах, не существует. В большинстве случаев требуются нестандартные методы. Еще менее изучены по сравнению с объемными, свойства растворов в связанном состоянии в тонких слоях вблизи поверхности твердых тел или макромолекул.



Единственной возможностью перехода на более высокий уровень познания в области экспериментальной физики жидкостей и воды в том числе, является разработка новых экспериментальных методов исследования жидкостей, позволяющих получить новую информацию об их свойствах и внутренней структуре, пригодную для построения их адекватных теоретических моделей.

Проведенный на примере воды анализ молекулярных процессов в жидкостях показал, что наименее изучены в них процессы с характерными временами в интервале 10-4 сек 10-6 сек. Из двух способных получать информацию о таких процессах методов, акустического и диэлектрического, в случае акустического – возможна неоднозначная интерпретация результатов, а исследование диэлектрическим методом невозможно из-за искажения указанных процессов проводимостью. Между тем этому интервалу соответствует среднее время между двумя перемещениями молекул во льду - ~10-5 сек, а также время распада кластеров, существование которых в воде зарегистрировано методами ИК- и масс-спектроскопии. Следовательно, по исследованию водных систем на частотах порядка 104 Гц – 106 Гц, можно надеяться не только завершить давно ведущуюся дискуссию о наличии или отсутствии в воде «льдоподобной» структуры, но и изучать процессы релаксации кластерной структуры в ней, что позволит в конечном итоге разработать более обоснованные теоретические модели жидкой воды.

Поскольку наиболее полную и однозначную информацию о релаксационных коллективных эффектах в полярных жидкостях можно получить по их диэлектрическим параметрам, то разработка диэлектрического метода, способного исследовать на частотах ~105 Гц не искаженные токами проводимости поляризационные процессы в жидкостях при их объемном и связанном состоянии является весьма актуальной задачей современной экспериментальной физики.

Актуальность разработки такого метода обусловлена и проблемой исследования растворов высокомолекулярных соединений, которыми являются большинство современных поверхностно-активных и биологически-активных веществ. В связи с отсутствием теоретических методов расчета межмолекулярных взаимодействий в растворах таких реагентов, для их изучения особое значение имеет применение методов экспериментальной физики, в том числе и диэлькометрических, поскольку все поверхностно-активные и биологически-активные вещества являются полярными. В связи с огромной относительной молекулярной массой современных таких соединений (несколько тысяч) межмолекулярные взаимодействия и ориентационные процессы в их растворах следует проводить в области частот менее 106 Гц. Исходя из вышесказанного, и была предпринята данная работа.

Цель работы заключалась в разработке нового диэлькометрического метода, названного индуктивным или L-методом, в котором исследуемое вещество вводится внутрь соленоидальных ячеек (L-ячеек), для определения в диапазоне частот 104 Гц - 108 Гц не искаженных токами проводимости диэлектрических параметров жидких растворов и изучения коллективных ориентационных процессов в них.

Разработка L-метода включала в себя теоретическое и экспериментальное обоснование: физической природы изменений параметров соленоидальных L-ячеек после ввода в них веществ; критериев диэлькометрического применения L-ячеек; достоверности получаемых диэлектрических параметров жидкостей и корректности их интерпретации. А также состояла в создании измерительной аппаратуры, реализующей данный метод; разработке методики эксперимента и проведении широкого круга модельных экспериментов; оценке получаемой по таким экспериментам информации и их интерпретация на основе введенных теоретических представлений; сопоставлении полученных результатов с данными других методов.

Возможности и достоинства индуктивного L-метода в диссертации показаны на примере конкретных задач экспериментальной физики:

1. Исследование низкочастотных поляризационных и релаксационных процессов в водных и спиртовых растворах электролитов, а также водных растворах органических жидкостей и аминокислот.

2. Изучение водных растворов электролитов в связанном состоянии на поверхности твердых тел и в биологических объектах.

3. Исследование низкочастотных поляризационных и релаксационных процессов в неводных растворах высокомолекулярных соединений.

Первые две задачи представляют интерес для фундаментальных исследований в области физики жидкостей и физической химии растворов. Третья задача на примере деэмульгаторов - высокомолекулярных реагентов, используемых для разрушения водонефтяных эмульсий в нефтяной промышленности, демонстрирует возможности разработанного диэлектрического L-метода в области чисто прикладных проблем, в которых ранее методы экспериментальной физики практически не использовались.

Основные новые результаты:

1. Разработан новый экспериментальный диэлькометрический метод, названный индуктивным или L-методом, позволяющий изучать в слабых вихревых электрических полях соленоидальных L-ячеек низкочастотные поляризационные процессы в жидкостях, не искаженные токами проводимости. Изготовлен прототип экспериментального прибора, реализующий данный метод, показана его применимость для решения физических и физико-химических задач.

2. Впервые установлено, что в сверхслабых полях L-ячеек наблюдается сильная низкочастотная дисперсия диэлектрической проницаемости и соответствующий максимум тангенса угла диэлектрических потерь (tg) растворов электролитов Показано, что обнаруженное явление предсказывалось Дебаем в рамках его теории электролитов.

3. Рассмотрен способ анализа состояния водных растворов по частоте , на которой наблюдается максимум tg растворов.

4. Предложен метод оценки отличия состояния водных растворов в обычном объемном состоянии и в тонких пленках на поверхности твердых тел или в биообъектах.

5. Разработан метод одновременного определения диэлектрической и магнитной проницаемости веществ L-методом. Подтверждена возможность преимущественной адсорбции молекул воды в орто- модификации на поверхности некоторых сорбентов.

6. Проведено исследование и установлена природа низкочастотных релаксационных процессов в неводных растворах высокомолекулярных соединений. На примере деэмульгаторов - реагентов, используемых в нефтяной промышленности для разрушения водонефтяных эмульсий, показана возможность по диэлектрическим измерениям прогнозировать эффективность реагентов в технологических процессах, дать для исследуемого реагента рекомендации не только о наиболее оптимальном способе его использования, но и оценить его недостатки, указать на способы повышения эффективности.

Практическая значимость работы. Разработанный в диссертации новый диэлькометрический метод расширяет возможности экспериментальных методов исследования жидких растворов, что позволяет более эффективно решать теоретические, практические и прикладные задачи в области физики жидкости, физической химии и молекулярной диэлькометрии, проводить как фундаментальные исследования жидкостей и их растворов, так и решать прикладные проблемы.

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается теоретическим и экспериментальным обоснованием правомерности диэлькометрического использования L-ячеек, корректности интерпретации получаемых экспериментальных данных, высокой чувствительностью разработанного индуктивного метода к состоянию жидкостей, хорошей воспроизводимостью экспериментальных данных и их соответствием имеющимся в литературе данным других методов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Обоснование диэлькометрического применения L-ячеек и разработка индуктивного диэлектрического метода (L-метода), позволяющего определять низкочастотные диэлектрические свойства жидкостей не искаженные токами проводимости.

2. Наличие в слабых электрических полях L-ячеек низкочастотной дисперсии диэлектрической проницаемости и соответствующего ей максимума тангенса угла диэлектрических потерь в водных и спиртовых растворах. Соответствие обнаруженного явления теории электролитов Дебая и экспериментальным данным ИК - и масс-спектроскопии.

3. Концентрационная и температурная трансформация частотной зависимости tg водных растворов. Метод анализа состояния водных растворов по величине частоты, на которой наблюдается максимум их tg.

4. Результаты исследования водных растворов электролитов в связанном состоянии в поверхностных слоях твердых тел. Метод определения степени структурированности и связанности водных растворов в объектах различной влажности, в том числе и биологических.

5. Метод одновременного определения диэлектрической и магнитной проницаемости веществ с помощью соленоидальных L-ячеек. Установление возможности селекции молекул воды по спиновым состояниям на поверхности некоторых сорбентов. Взаимосвязь между диэлектрической и магнитной проницаемостью молекул связанной воды в неколлинеарных вихревых электрических и магнитных полях L-ячеек.





6. Результаты исследования неводных растворов высокомолекулярных соединений. Взаимосвязь между их диэлектрическими свойствами и эффективностью в технологических процессах.

Апробация работы и публикации: Основные результаты работы докладывались на: VII Международном совещании «Свойства жидкостей в малых объемах», Киев, 1989, международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири». Тюмень. 1996; 2-ой Российской конференции «Физика в биологии и медицине», Екатеринбург. 2001; 9-ой и 10-ой международной конференции по магнитным жидкостям. Иваново. 2000 и 2002; Всероссийской научно-практической конференции «Разработка, производство и применение химических реагентов для нефтяной и газовой промышленности», Москва, 2002; Всесоюзной конференции «Менделеевские чтения», Тюмень, 2005; IV Международном конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине», Санкт-Петербург, 2006; семинарах института Аналитического приборостроения и политехнического института, Санкт-Петербург, 2005, 2006; семинарах МГУ, 1988, 1989, 2006 г.

По материалам диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе 19 в реферируемых журналах, на разработанный индуктивный диэлькометрический метод имеется патент РФ, издана монография.

Работа выполнена на физическом факультете Тюменского госуниверситета.

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации экспериментальные результаты получены лично автором. Проводимые исследования поддерживались в рамках тематического плана Министерства образования и науки РФ (гос. регистрационный № темы 01.20.0502872).

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 230 страницах машинописного текста, включает 120 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 213 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи, отмечена научная новизна и практическая значимость работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор литературных данных о молекулярных процессах в жидкостях и методах их исследования. Показано, что существующее представление о диэлектрических свойствах жидкостей, основанное на полученных с помощью конденсаторных измерительных ячеек (C-ячеек) экспериментальных данных, по которым на частотах менее 100МГц заметная дисперсия диэлектрической проницаемости отсутствует даже в таких жидкостях, как вода и ее растворы, противоречат существованию в них кластеров и сольватированных ассоциатов, выявляемых другими методами.

Вторая глава посвящена разработке индуктивного диэлектрического метода (L-метода), в котором диэлектрические параметры жидкостей находятся в слабых вихревых электрических полях соленоидальных катушек индуктивности (L-ячеек), напряженность которых на 3-5 порядков меньше, чем в C-ячейках. Суть метода демонстрирует рис. 1, согласно которому ввод сосуда с жидкостью внутрь L-ячейки, подключенной к колебательному контуру куметра, приводит к уменьшению добротности Q и емкости С контура при резонансе, что указывает на изменение активного и индуктивного сопротивления ячейки.

Рис. 1. А - упрощенная схема куметра с измерительной L-ячейкой и введенным в нее сосудом с жидкостью; Б – резонансные кривые колебательного контура куметра с L-ячейкой до (1) и после (2) ввода в нее сосуда с водой.

Несмотря на то, что представленный на рис. 1(Б) эффект известен более полувека и используется в электрохимии для бесконтактной кондуктометрии, его природа была не ясна. Возникновение данного эффекта связывалось: по «емкостной» гипотезе - с изменением собственной межвитковой емкости L-ячейки при внесении в нее жидкости; «магнитной» - с эффективной магнитной проницаемостью жидкости; «индуктивной» - с изменением индуктивности L-ячейки из-за возникновения в жидкости вихревых токов. В диссертации показано, что для используемых в работе L-ячеек эффект от «емкостного» механизма пренебрежимо мал, «магнитный» проявляется только для магнитных веществ, а эффект от вихревых токов противоположен по знаку наблюдаемым в эксперименте изменениям индуктивности. Т.о. все предложенные ранее в литературе гипотезы не пригодны для объяснения принципа изменений параметров L-ячеек с немагнитными жидкостями.

Действительная причина влияния жидкости на индуктивность L-ячейки в диссертации установлена после определения из уравнений Максвелла амплитудного значения магнитной индукции В и магнитного потока Ф внутри бесконечно длинной цилиндрической L-ячейки, заполненной жидкостью с удельной электропроводностью ; диэлектрической и магнитной проницаемостью 1:

- где - напряженность переменного магнитного поля внутри L-ячейки без жидкости; - его частота; , и - функции Бесселя, - радиус пробы жидкости, =. После разложения функций Бесселя в ряд и избавления от комплексных величин, оказывается, что изменение магнитного потока внутри ячейки после помещения в нее жидкости преимущественно определяется лишь двумя слагаемыми:

= о ( 2 ) = 1 - 2 (1)

Первое слагаемое в (1) связано с возникновением в жидкости токов смещения, зависящих от ее диэлектрической проницаемости , второе - вихревых токов, пропорциональных 2. Поэтому диэлькометрическое использование L-ячеек правомерно при >>, что справедливо для жидкостей с < max, где max предлагается определять из условия

2/1 = (max)2/48<0,05 (2)

Для водных растворов с 1,5см max10мСм/см (соответствует примерно 1% раствору NaCl). Полагая, что для жидкостей с < max относительное изменение индуктивности L-ячейки после ввода жидкости равно относительному изменению магнитного потока за счет токов смещения, получено выражение для C - сдвига резонансной емкости после ввода жидкости в L-ячейку

C== / (3)



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.