ПОРІВНЯННЯ ТЕМПЕРАТУРНИХ ЗАЛЕЖНОСТЕЙ ЕНЕРГІЙ АКТИВАЦІЇ ДЛЯ ТЕЧІЇ ТА ДИФУЗІЇ У ЧИСТІЙ ВОДІ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2079-0821.2022.02Ключові слова:
течія, дифузія, енергія активації, температурні залежності, кінематична в'язкість, апроксимація, водні кластериАнотація
Розглядаються проблеми розрахунків та природи сил міжмолекулярних взаємодій у рідинах, як їхньої енергії активації, у широкому інтервалі температур існування рідкої фази на прикладі чистої води. Головною методичною проблемою у стандартних розрахунках енергії активації є відсутність збереження числа молекул у системі під час зміни температури та тиску. Проблема вирішується записом співвідношення Ареніуса та розрахунком енергії активації через кінематичну в'язкість, для якої число молекул у системі зберігається. При розрахунках енергії активації для процесу дифузії запропоновано альтернативний метод розрахунку за даними про в'язкість даної рідини, яка визначається значно точніше, ніж дифузія. Проведено розрахунки величин енергій активації у чистій воді на лінії насичення для процесів течії та дифузії у області існування її рідкої фази – від точки плавлення до критичної температури. Отримано для них апроксимуючі формули, що містять ступеневі та експонентні вклади. Спостерігається гарна згода апроксимацій з розрахунками для температур від 0 °С до 230 °С. Показано, що різниця між енергіями активації процесів обумовлена відмінностями їх фізичних механізмів. Величина енергії активації для процесу дифузії більша за величиною і повільніше зменшується з нагріванням, ніж для процесу течії, оскільки для дифузії всі зв'язки молекул тривимірні та ізотропні у просторі. Процес течії зумовлено зовнішніми силами, що стимулюють розриви міжмолекулярних зв'язків між шарами течії рідини, і ці взаємодії стають квазідвовимірними. В результаті енергія активації для процесу дифузії зменшується у бік критичної температури повільніше, як корінь другого ступеня, тоді як для течії – лінійно. Для обох енергій активації поблизу точки плавлення (0…90 °С) спостерігаються експонентні вклади. Вони зумовлені руйнуванням залишків кристалічної структури льоду у воді у вигляді водних кластерів. Для них і в рідкій фазі води зберігаються сильніші і стійкіші міжмолекулярні зв'язки молекул, що спостерігаються у замкнутих гексагональних кільцях структури води, та які експонентне руйнуються з нагрівом.
Посилання
Glesston S., Leidler K. J., Eyring H. The theory of rate processes. McGrew-Hill Book Co., Inc., New York, N. Y., 1941. 557 p.
Frenkel' YA. I. Kineticheskaya teoriya zhidkostey [Kinetic theory of liquids]. Izd-vo AN SSSR, 1959. 253 p.
Eisenberg, D., Kauzmann W. The structure and properties of water. Oxford University press, 2005. 308 p.
Rivkin S. A., Aleksandrov A. A. Teplofizicheskiye svoystva vody i vodyanogo para [Thermophysical properties of water and steam] 2–e izd., Moscow: Energiya, 1980. 422 p.
Bersuker I. The Jahn-Teller Effect and Vibronic Interactions in Modern Chemistry. New York: Plenum Press, 1984. 319 p.
Malafayev N. T. O vzaimodeystviyakh i dinamike molekul v chistoy vode [Interactions and dynamics of molecules in pure water] Vostochno-yevropeyskiy zhurnal peredovykh tekhnologiy. 2011, V. 52, №4/8. pp. 48–58. Access mode: http://journals.uran.ua/eejet/article/view/1465/1363.
Popl J. A. Proc. Roy. Soc. London, 1951, V. A 205, 163 p.
Panchenkov G. M. Teoriya vyazkosti zhidkostey [The theory of the viscosity of liquids] Moscow, Gostekhizdat, 1947, 158 p.
Fogelson RP, Likhachev ER Temperature dependences of viscosity ZhTF, 2001, 71, No. 8, p. 128-131.
Kholmansky A. Synergism of the dynamics of tetrahedral hydrogen bonds of liquid water Physics of Fluids 33,067120 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0052566.
V. V. Kalinchyk Khimichna kinetyka ta masoobmin. Navchalʹnyy posibnyk, Odesa, ONU, 2017.
Vorontsova, Zh. V., Malafayev M. T. Klastery u vodi [Clusters in water] Visnyk NTU «KHPI», Zb. nauk. pratsʹ. Tematychnyy vyp. «Novi rishennya v suchasnykh tekhnolohiyakh». Kharkiv: NTU «KHPI» 2011, № 43. pp. 3–7.
Malafayev M. T. Rozrakhunok temperaturnoyi zalezhnosti enerhiyi aktyvatsiyi samodyfuziyi u vodi [Calculation of the temperature dependence of the activation energy of self-diffusion in water] Nauka ta vyrobnytstvo, Zb. nauk. pratsʹ, DVNZ «PDTU», Mariupol, 2021, vyp. 24, pp. 252–260.
Landau L. D. , Lyfshyts E. M. Statystycheskaya fyzyka [Statistical physics], Ch. 1, Moscow: Fyzmatlyt, 2002. pp.508-528.
