Главная » 2014»Август»4 » Скачать Разработка новых физических и математических методов исследования равновесия в зоне трехфазного контакта. Емельяненко, Александр бесплатно
3:59 AM
Скачать Разработка новых физических и математических методов исследования равновесия в зоне трехфазного контакта. Емельяненко, Александр бесплатно
Разработка новых физических и математических методов исследования равновесия в зоне трехфазного контакта
Диссертация
Автор: Емельяненко, Александр Михайлович
Название: Разработка новых физических и математических методов исследования равновесия в зоне трехфазного контакта
Справка: Емельяненко, Александр Михайлович. Разработка новых физических и математических методов исследования равновесия в зоне трехфазного контакта : диссертация доктора физико-математических наук : 02.00.04 Москва, 2004 237 c. : 71 05-1/19
Объем: 237 стр.
Информация: Москва, 2004
Содержание:
Глава 1 МЕЖФАЗНЫЕ РАВНОВЕСИЯ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ СИЛЫ
11 Трехфазные равновесия и краевые углы
12 Гистерезис смачивания и динамические краевые углы
13 Линейное натяжение и переходная зона
Глава 2 АДАПТАЦИЯ SOS МОДЕЛИ ДЛЯ ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ по ИССЛЕДОВАНИЮ РАВНОВЕСИЯ МЕЖДУ ОБЪЕМНОЙ жидкостью и СМАЧИВАЮЩЕЙ ПЛЕНКОЙ
21 Термодинамические подходы к оценке макроскопического краевого угла на основе изотерм адсорбции и расклинивающего давления в рамках решеточных моделей
22 Описание модели для численного эксперимента
23 Расклинивающее давление смачивающей пленки
24 Капиллярное давление в двумерной SOS модели
25 Заключение
Приложение 21 Термодинамика равновесия между пленкой и искривленной поверхностью в закрытой Ш с системе
Приложение 22 Декорреляция последовательности псевдослучайных чисел в численном эксперименте
Глава 3 ВЛИЯНИЕ ВИДА ДАЛьнодЕйствующих ПОВЕРХНОСТНЫХ СИЛ НА ФОРМУ ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЫ И КРАЕВЫЕ УГЛЫ
31 Полное и ограниченное смачивание
32 Переходная зона и поверхностные силы • 33 Роль термодинамических флуктуации в численном эксперименте
34 Заключение
Глава 4 ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЙ для ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИДЯЩИХ И ВИСЯЩИХ КАПЕЛЬ
42 Анализ цифровых изображений
43 Применение динамической пороговой обработки для сегментации поля изображений
44 Нахождение параметров системы
45 Экспериментальная установка для определения параметров висящих и сидящих капель на основе цифровой обработки видеоизображений
46 Анализ факторов, влияющих на точность определения параметров висящих и сидящих капель
47Экспериментальные приложения методов, основанных на цифровой обработке изображения висящих и сидящих капель
48 Заключение
Приложение 41 Вывод соотношений для расчета параметров окружности, наилучшим образом описывающей набор экспериментальных точек
Глава 5 КРАЕВЫЕ УГЛЫ И ГИСТЕРЕЗИС СМАЧИВАНИЯ НА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЯХ
52 Определение параметров лапласовой кривой для капли на вертикальной нити
521 Механическое равновесие между осесимметричной каплей и смачивающими пленками на вертикальной нити
522 Уравнение Лапласа и граничные условия
523 Постановка задачи Целевая функция
524 Решение минимизационной задачи
525 Численная реализация оптимизационной процедуры и определения параметров экспериментальной системы
53 Экспериментальная проверка разработанной методики
531 Тестирование методики на модельных каплях
532 Описание экспериментальной установки
533 Исследуемые вещества и подготовка образцов
534 Эволюция краевых углов во времени и гистерезис смачивания
54 Связь краевых углов с изотермой расклинивающего давления для геометрии "капля на нити"
55 Полное смачивание
56 Заключение
Введение:
Исследование двух- и трехфазных равновесий является одной из важнейших фундаментальных проблем физической химии поверхностных явлений. Особенности равновесия и процессов его установления в зоне трехфазного контакта являются определяющими для явлений смачивания и растекания, адсорбции и массопереноса в пористых телах и т.п., и поэтому их исследование необходимо для дальнейшего развития этой области науки. С практической точки зрения более детальное знание процессов, происходящих при установлении равновесий на границе раздела фаз, имеет важное значение, например, для разработки новых видов материалов, тканей специального назначения, флотации, а также для прогресса в новой, быстро развивающейся области - создания нанокомпозитов на основе упрочненных волокон.В настоящее время в этой области науки сложилась такая ситуация, что различные теоретические подходы ушли далеко вперед по сравнению с экспериментальными достижениями. Имеется много теоретических работ, которые предсказывают различное поведение как для равновесных краевых углов, так и для гистерезиса смачивания. Развиты различные механизмы, объясняющие гистерезис смачивания. Однако нельзя сказать, что имеется достаточное количество надежных и убедительных экспериментальных данных, позволяющих однозначно подтвердкггь те или иные теории. Так, например, краевые углы, измеряемые для, казалось бы, абсолютно # одинаковых систем в разных лабораториях, могут существенно отличаться друг от друга, величины гистерезиса различаются при разных условиях измерения и для различных размеров капель. Наконец, парадоксальная ситуация сложилось с вопросом о линейном натяжении, история измерений которого насчитывает уже не один десяток лет. Тем не менее, для этой величины нет согласия между различными исследователями не только о ее порядке, но даже и о знаке.Таким образом, назрела настоятельная необходимость в развитии новых методов исследования равновесия в зоне трехфазного контакта, поскольку многие из классических методов, эффективно способствовавших развитию физической химии поверхностных явлений и обеспечивших современное состояние дел, к настоящему времени исчерпали свои возможности.Поэтому основной целью данной работы являлось развитие новых методов, позволяющих исследовать равновесие в зоне трехфазного контакта.В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: 1. Разработка новых методик численного эксперимента по моделированию равновесия в тонких жидких прослойках и зоне трехфазного контакта с учетом дальнодействующих поверхностных сил.2, Исследование влияния характера дальнодействующих поверхностных сил на установление того или иного режима смачивания в #) системе, на величины краевых углов и форму переходной зоны, методами численного эксперимента.3. Развитие современных высокоточных экспериментальных методов измерения поверхностного и межфазного натяжения и краевых углов смачивания.4. Развитие экспериментальных методов исследования смачивания в системах с неплоскими смачиваемыми поверхностями.Решение этих задач изложено в пяти главах настоящей диссертации.В первой главе кратко рассмотрены явления и факторы, определяющие равновесие в зоне трехфазного контакта и интенсивно исследуемые в последние годы, В частности, рассмотрены вопросы статики и динамики смачивания твердых поверхностей; влияние адсорбционных и смачивающих пленок на характер равновесия на границах трех фаз, роль переходной зоны и линейного натяжения в системах с конечной кривизной линии трехфазного контакта.Во второй главе приводится описание двумерной решеточной модели, адаптированной нами для проведения численных экспериментов по исследованию влияния дальнодеиствующих поверхностных сил на равновесие в трехфазной системе. Выведены статистические соотношения для расчета удельной свободной энергии и межфазного натяжения поверхности раздела твердое тело - пар, статистический аналог уравнения Дерягина-Фрумкина, дано статистическое определение расклинивающего давления и другие необходимые соотношения. Кроме того, описаны «* разработанные нами методы определения расклинивающего и капиллярного давления и макроскопического краевого угла для равновесной системы в численном эксперименте. Третья глава посвящена описанию некоторых результатов численных экспериментов, проведенных с использованием описанной во второй главе модели. На примере изотерм, характерных для дисперсионных сил, были промоделированы режимы полного смачивания, реализующегося в системе с отрицательной константой Гамакера, и «сухого смачивания», когда капля жидкости находится в равновесии с подложкой практически свободной от молекул жидкости, при положительных значениях константы Гамакера. С использованием Sизотерм исследовано влияние вида изотермы и величины расклинивающего давления на значения устанавливающихся в системе краевых углов, размер и форму переходной зоны между каплей и смачивающей пленкой.В четвертой главе рассмотрены методы, применяемые на различных этапах цифровой обработки видеоизображений при исследовании поверхностных явлений. Предложен новый метод сегментации, базирующийся на динамической пороговой обработке и позволяющий с высокой точностью определять координаты межфазных границ раздела в поле изображения с неоднородной освещенностью. Обсуждены различные подходы к решению задачи нахождения характеристик исследуемой капиллярной системы, основанные на подборе параметров уравнения Лапласа. Описана оригинальная автоматизированная установка для т измерения поверхностного натяжения и краевых углов. Проанализированы факторы, влияющие на точность определения параметров сидящих и висящих капель. На основе модельных расчетов дана оценка отклонения определяемых величин поверхностного натяжения и угла смачивания от точных значений, вызванного дискретизацией профиля межфазной поверхности при его цифровой обработке. Обсуждены некоторые экспериментальные приложения описываемых методов.Пятая глава посвящена описанию принципиально нового экспериментального подхода к измерению краевых углов и гистерезиса смачивания, основанного на использовании особенностей геометрии капли, висящей на вертикальной нити. Показано, что механическое равновесие капли на вертикальной нити в гравитационном поле определяется в основном различием наступающего и отступающего краевых углов.Рассмотрена задача экспериментального определения краевых углов, образуемых каплей жидкости на вертикальной нити, на основе анализа формы осесимметричного жидкого мениска. Для решения этой задачи применена стратегия минимизации целевой функции, выражающей расхождение между экспериментально наблюдаемой и теоретической лапласовой хфивой, т.е. кривой, представляющей решение дифференциального уравнения Лапласа. Описана экспериментальная установка, в которой реализован развитый метод измерения краевых углов и гистерезиса смачивания. Проведенные модельный анализ возможностей метода и экспериментальное тестирование установки показали, что метод обеспечивает высокую точность и воспроизводимость измерения малых краевых углов. Приведены результаты экспериментального исследования динамики установления равновесия и краевых углов для некоторых насыщенных углеводородов и спиртов на стеклянных нитях разного диаметра. Проанализирована связь краевых углов с изотермой расклинивающего давления для геометрии "капля на нити" и выведено соотношение, аналогичное соотношению Дерягина-Фрумкина. Показано, что в зависимости от вида изотермы расклинивающего давления в 0) исследуемой системе, соотношения размеров капель и радиуса нити, возможно как увеличение, так и уменьшение наступающих и отступающих краевых углов с ростом радиуса нити. #
