Калижанова У.С¹, Курлапов Л.И.²

Республика Казахстан

¹Казахский Национальный университет им. Аль-Фараби, г.Алматы,

²Восточно - Казахстанский государственный университет им. С. Аманжолова, г.Усть-Каменогорск

К теории мезоскопии газов

Существенная причина отклонений свойств реальных газов от идеальных связана с изменениями кластерного состава при изменении макропараметров, так как образование или распад кластеров соответствует изменениям числа молей и молярной массы этой смеси. В процессы переноса каждый кластерный субкомпонент вносит свой вклад, который определяется массой кластеров. В настоящей работе показано, что в области линий насыщения в газах существуют большие кластеры, которые представляют собой мезоскопические частицы, а вся кластерная смесь обладает промежуточными (мезоскопическими) между газом и жидкостью свойствами.

В условиях локального термодинамического равновесия в каждом локально равновесном домене в газе устанавливается определенное распределение кластеров по размерам (по количеству входящих в них молекул). Для описания процессов переноса состав кластерной смеси удобно характеризовать числовой долей, отнесенной к суммарной числовой плотности всех кластеров который определяется по формуле:

(1)

где N - размер наибольшего кластера,

- концентрация молекул

В работе ведется расчеты для аргона, азота и диоксида углерода, из которых видно, что при низких температурах и высоких давлениях в газе могут существовать достаточно большие кластеры.

Большие кластеры оказывают существенное влияние на транспортные свойства этих газов. тяжелые частицы при столкновении с легкими в большей степени сохраняют направление первоначальной скорости.

Видно также, что этот рост замедляется с повышением давления, так как при этом увеличивается доля столкновений между тяжелыми кластерами. Вклад в теплоемкость, теплопроводность, диффузий и вязкость кластерной смеси существенно зависит от концентрации соответствующих кластеров, поэтому при сравнительно высоких температурах вклад больших кластеров мал из-за малой их доли, поэтому мезоскопические их свойства не оказывают существенного влияния на весь газ.

При низких температурах при данном давлении мезоскопия уже сказывается на свойствах всего газа. Переменность кластерного состава, а следовательно числа структурных элементов, усложняет процесс, но основная картина не меняется.

Расчеты для аргона, азота и диоксида углерода показывают, что при повышении давления наблюдаются принципиальные отклонения бароэффекта от разреженного газа: он меняет знак. Это означает, что в кластерной смеси повышенное давление наблюдается в холодной области, как в жидкостях. В этом проявляется мезоскопия кластерного газа.

Таким образом, эксперимент и теория показывают, что свойства газов при низких температурах и высоких давлениях соответствуют свойствам жидкости, что в кластерной модели объясняется влиянием больших кластеров и есть проявление мезоскопии кластерного газа.

Физика этого явления заключается в том, что большие кластеры как представители новой фазы навязывают новые свойства. В газе не было фазового перехода первого рода, но свойства уже соответствуют новой фазе. Такое явление можно классифицировать как промежуточный (мезоскопический) фазовый переход.

Такая промежуточная область соответствует гомогенной системе, и такой переход целесообразно назвать мезоскопическим фазовым переходом.

Отмеченная особенность температурной зависимости наблюдается для многих газов. Кроме того, такой мезоскопический фазовый переход наблюдается и в других свойствах кластерных смесей.[1] Например теплопроводность аргона изменяется с температурой, что видно из рисунка 1.

Как видно из этих графиков, с ростом размера кластеров парциальный коэффициент растет. При низких температурах большие кластеры присутствуют в заметном количестве, а при понижении температуры их концентрация растет, что и приводит к росту теплопроводности кластерной смеси при понижении температуры.

Как видно из этих данных влияние кластеров проявляется так же, как и для аргона. Такие же зависимости наблюдаются для других газов и паров. Приведенные данные говорят о том, что кластеры в газах существенно изменяют термодинамические свойства, в частности, их влияние приводит к возникновению нового явления – мезоскопического фазового перехода. При этом переходе изменяются кинетические свойства газов: свойства переноса в газовой фазе обладают особенностями, свойственными жидкому агрегатному состоянию. Как известно, фазовые переходы первого и второго рода относятся к состояниям системы, когда изменяются функции состояния. В мезоскопическом фазовом переходе изменяются транспортные свойства, изменяются свойства кинетических явлений. Мезоскопический фазовый переход нельзя отнести к фазовому переходу первого рода, так как он происходить объеме без границы, разделяющей фазы, но он обладает свойством фазового перехода первого рода: при нем изменяется внутренняя энергия. Хотя мезоскопический фазовый переход, как фазовый переход второго рода, происходит во всем объеме, он отличается тем, что при мезоскопическом фазовом переходе выделяется энергия фазового перехода [2]. Для уточнений физики найденной особенности, можно использовать данные о температурной зависимости концентраций различных кластеров. Такие данные приведены на рисунке 2.

Как видно из рисунка 2 в аргоне доля молекул с температурой растет. Доля димеров растет только при низких температурах. Доля остальных кластеров с температурой убывает, что ускоряет рост доли молекул. Как видно из графиков, в данном масштабе доля кластеров очень мала, но их распад с температурой приводит к существенному влиянию на концентрации небольших кластеров, так как распад большого кластера может породить много мелких кластеров.

Расчеты показали, что кластерные субкомпоненты оказывают влияние за счет взаимных превращений кластеров, так как распад или образование одних кластеров порождает другие кластеры, а образование кластера определенного размера происходит за счет поглощения других кластеров или молекул. Этот механизм взаимного влияния имеет большое значение в неоднородных газах, так как он проявляется при переходе благодаря тепловому движению кластера из области с одной температурой в область с другой температурой.

В кластерной модели газа в качестве показателя неидеальности может служить молярная масса. Для расчетов средней молярной массы кластерной смеси необходимо иметь данные о концентрациях кластеров различного размера. В данном разделе концентрации кластеров определяются на основе их экспоненциального распределения по размерам [2], а молярная масса рассчитывается по формуле, которая приводится в учебной литературе для смеси идеальных газов.

В физике реальных газов уравнения состояния обычно строятся путем введения поправок в уравнение Менделеева-Клапейрона [1]:

(3).

Число молей определяется как отношение массы газа к молярной массе . Молярная масса определяется через массу одной молекулы и постоянную Авогадро :

(4) .

Масса одной молекулы как мельчайшей частицы, имеющей химические свойства данного вещества, находится химическими методами. Обе величины, входящие в определение молярной массы, не зависят от условий, поэтому и молярная масса во всех случаях является константой, зависящей только от вида вещества. Для смеси газов, состоящих из молекул нескольких сортов, уравнение состояния сохраняет свой вид, но для определения количества молей масса смеси делится на среднюю молярную массу:

(5) .

Молярная масса смеси выражается через молярные массы компонентов смеси и их молярные доли ,которые для идеальных газов совпадают с числовыми долями (относительными числовыми концентрациями ) и с относительными объемными концентрациями :

(6).

В настоящей работе это соотношение применяется для расчетов молярной массы кластерной смеси, и, как видно из формулы (6), роль в кластерной смеси выполняют , сумма которых равна единице. Так как масса кластеров отличается от массы одной молекулы, то и молярная масса газа, состоящего из молекул одного сорта, но содержащего кластеры, будет отличаться от константы данного вещества. Более того, при изменении макропараметров изменяется кластерный состав, следовательно, и молярная масса газа. В этом заключается основная особенность кластерной модели, развитию которой и посвящена данная работа.

Литературы

1. Курлапов Л.И. Физика кинетических явлений в газах Монография.-Алматы,-2001.211с. ISBN 9965-489-81-5

2. Курлапов Л.И. Кинетическая теория необратимых процессов в газах. Монография - Алматы,- 2000.300с. ISBN 9965-408-62-9

Анкета участника конференции

«Перспективные вопросы мировой науки»

Фамилия и инициалы	Тема работы	Почтовый адрес (жалательно домашний)	Контактный телефон	Секция/подсекция (если имеется)	E-mail
Калижанова У.С, Курлапов Л.И.	К теории мезосопий газов	Калижанова Умитгул Социаловна Энтузиастов, 7, 15. Усть-Каменогорск (Вост.Каз.Обл) Республика Казахстан() 007014 _	8(7232)538038 8(7232)477880 8(7232)478474 87774062286	Фізика/ молекулярная физика	umitguluka@mail.ru lkurlapov@yandex.ru