Курлапов Л.И.

Казахский национальный университет им. Аль-Фараби, Алматы

Мезоскопия кластеров в плотных газах

Структурными элементами, обособленное тепловое движение и взаимодействия которых определяют свойства газов, являются не только отдельные молекулы, но и кластеры. Кластерами в данном случае называются стабильные или квазистабильные образования из нескольких молекул (димер – из двух молекул, тример – из трех и т.д.). В газах и молекулы, и кластеры при хаотическом тепловом движении сталкиваются, что приводит к деформации электронных оболочек, и при больших ускорениях происходит взаимодействие таких мгновенных диполей с излучением. В достаточно плотных газах существуют не только парные взаимодействия, которые принято описывать эмпирическими потенциалами взаимодействий молекул, но и множественные столкновения. К настоящему времени не существует способов описания не только излучения с веществом, но и описания взаимодействий нескольких уже деформированных молекул, поэтому детального описания самого процесса множественных столкновений и образования или распада кластеров нет. В то же время, без знания кластерного состава газа (паров) нельзя полностью идентифицировать предмет исследования и дать надежный способ прогнозирования нужных для практики свойств газов.

Столкновения кластеров, их непрерывное образование и распад приводит к установлению определенного динамически равновесного кластерного состава, соответствующего данным условиям. Такой кластерный состав можно установить на основе кластерной модели газа с использованием наблюдаемых свойств данного газа при определенных условиях (ИФЖ, Т.76, №4, С.23, 2003; ЖТФ, Т.48, С.185, 2003). В настоящем докладе в качестве опорных данных используется плотность или удельный объем, и расчеты концентраций кластеров проводятся на основе модели, в которой принимается, что распределение кластеров по размерам описывается экспоненциальной или показательной функцией, параметры которых определяются путем нормировки на наблюдаемые свойства.

Расчеты, проведенные для многих газов и паров, показали, что в них при низких температурах и достаточно высоких давлениях могут существовать кластеры, состоящие из десятка молекул. Образование кластеров из молекул или больших кластеров из более мелких соответствует уменьшению числа молей структурных элементов (корпускул), а распад – к увеличению числа молей. В уравнении состояния это удобно отражать фактором сжимаемости, который учитывает также влияние собственного объема частиц. Влияние собственного объема приводит к увеличению фактора сжимаемости по сравнению с единицей, которой он равен для идеального газа, что учитывается в теории Энскога. Уменьшение числа молей приводит к уменьшению фактора сжимаемости. Существование этих двух конкурирующих причин изменения приводит к переходу значения фактора сжимаемости через единицу, которое наблюдается в экспериментах по данным.

В неоднородных газах на процессы переноса существенное влияние оказывает эволюция кластерного состава: при переходе локально–равновесного домена из области с одними макропараметрами в область с другими макропараметрами динамическое равновесие нарушается. За время, равное времени кластерной релаксации в домене устанавливается новое динамическое равновесие процессов образования–распада. В этом случае проявляется новая особенность молекулярно–кластерной смеси, которая связана с эволюцией кластерного состава, суть которой в том, что образование новых кластеров происходит за счет поглощения молекул или более мелких кластеров, а распад порождает молекулы или мелкие кластеры.

Чтобы избежать дискретности получаемых данных, привязанных к отдельным известным из экспериментов значениям опорных величин, находятся непрерывные распределения с переменным размером ячейки. Это дало возможность дать количественное описание эволюции кластерного состава и проводить вычисления в мезоскопической области, в которой большие кластеры навязывают свойствам газа такие зависимости от макропараметров, которые характерны для жидкости (ЖТФ, Т.50, С.1098, 2005). В мезоскопической области появляется мезоскопический фазовый переход, который обладает некоторыми свойствами фазового перехода первого рода и некоторыми свойствами фазового перехода второго рода. Такие его особенности связаны с мезоскопией больших кластеров в молекулярно–кластерной смеси.

Образование кластеров сопровождается выделением энергии кластерообразования, а распад – поглощением. В области мезоскопического фазового перехода вещество находится в газообразном агрегатном состоянии, что позволяет описывать процессы средствами кинетической теории газов. При этом обостряются проблемы, связанные с микроскопической интерпретацией наблюдаемых явлений. Это особенно заметно проявляется при описании тепловых процессов. В то же время, мезоскопия свойств открывает новые возможности в управлении теплофизическими равновесными свойствами (в частности – теплоемкостью) и потоками энергии.

В настоящем докладе описание проводится на основе модели неоднородной сплошной среды, разбиваемой на локально–равновесные домены постоянной конфигурации, но переменного состава. В рамках этой модели наблюдаемые потоки представляются в виде обратимой и необратимой составляющих. Необратимая составляющая образуется при переходе частиц через границы домена, и для ее описания хорошо применимы методы элементарной кинетической теории, дополненные математическим аппаратом современной строгой теории и учитывающими особенности молекулярно–кластерных смесей. Применяемые схемы расчетов позволяют вычислять парциальные доли в потоках и парциальные коэффициенты переноса в неоднородных молекулярно-кластерных смесях. Это дает возможность проследить влияния больших кластеров и их мезоскопические свойства в плотных газах.