Трехагрегатные ограниченные системы и их термодинамика

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрен класс малых систем, включающий в себя области пространства, занятые атомами/молекулам в трехагрегатных состояниях, общий объем которых не является макроскопическим. Это не позволяет для каждой из областей с разным агрегатным состоянием использовать понятие «фаза», как это принято в термодинамике Гиббса. К ним относят широкий круг систем, начиная от хорошо известных пористых материалов с разными величинами удельной поверхности (включая адсорбенты, катализаторы и мембраны) до ансамблей коллоидных частиц разной структуры и природы, находящихся в неравновесном или квазиравновесном состояниях полной системы. Обсуждается специфика термодинамики трехагрегатных ограниченных по объему систем, выделяемых поверхностями твердых тел, содержащих мобильный расслаивающийся флюид: объем ограниченной системы V(H) трактуется как квазиоднородный по аналогии с минимальным элементарным объемом dVmacro макросистемы (где H – характерный размер малой системы, V(H) < dVmacro). Анализ термодинамики полной системы проводится методом статистической термодинамики на основе так называемой модели решеточного газа. Для описания структуры реальных материалов и систем вводятся двухуровневые модели, отражающие их локальные неоднородности на молекулярном и надмолекулярном уровнях. В работе также введены два уровня описания энергии взаимодействия между компонентами системы: близкодействующий потенциал взаимодействия на молекулярном уровне между компонентами флюида и между атомами твердого тела и компонентами молекулярной смеси, а также дальнодействующий потенциал между твердыми частицами. Показано, что размерные зависимости термодинамических свойств ограниченных систем имеют эффективный характер, отражающий средневзвешенное влияние вкладов от неоднородных областей вблизи ограничивающих поверхностей твердых тел. Получено, что, помимо традиционного учета перекрытия потенциальных полей от противоположных твердых поверхностей, ограниченность системы приводит к учету неявного взаимодействия ограничивающих стенок между собой через молекулы флюида. Рассмотрены возможные определения понятия «фаза» для малых трехагрегатных систем, согласующиеся с понятием фазового равновесия по Гиббсу, и способы расчета трех видов поверхностных натяжений в данных системах. Дан термодинамический анализ понятия «расклинивающее давление».

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. К. Товбин

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: tovbinyk@mail.ru
Россия, 119991, Москва

Список литературы

  1. Гиббс Дж.В. Термодинамика. Статистическая механика. М.: Наука, 1982. 584 c. (The collected Works of J.W. Gibbs: In two volumes. V. 1. N.Y. etc.: Longmans, Green and Co., 1928.)
  2. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Изд. АН СССР, 1945.
  3. Скрипов В.П., Файзуллин М.3. Фазовые переходы кристалл – жидкость – пар и термодинамическое подобие. М.: Физматлит, 2003.
  4. Volmer M., Weber A. // Z. Phys. Chem. 1926. B. 119. S. 277.
  5. Volmer M. Kinetik der phasenbilding. Dresden: Steinkopff, 1939.
  6. Уваров Н.Ф., Болдырев В.В. // Успехи химии. 2001. Т. 70. № 4. С. 307.
  7. Петрий О.А., Цирлина Г.А. // Там же. 2001. Т. 70. № 4. С. 330.
  8. Haruta M., Date M. // Appl Catal. A: General. 2001. V. 222. P. 427.
  9. Daniel M.-C., Austric D. // Chem. Rev. 2004. V. 104. P. 293.
  10. Haruta M. // Gold Bull. 2004. V. 37. № 1–2. P. 27.
  11. Смирнов В.В., Ланин С.Н., Васильков А.Ю. и др. // Изв. Академии наук. Сер. Хим. 2005. № 10. C. 2215.
  12. Ростовщикова Т.Н., Смирнов В.В., Кожевин В.М. и др. // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2. № 1–2. С. 47.
  13. Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы. М.: Физматлит, 2010. 456 c.
  14. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006. 592 c.
  15. Суздалев И.П. Электрические и магнитные переходы в наногластерах и наноструктурах. М.: Красанд, 2011. 475 c.
  16. Handbook Springer of Nanotechnology / Bharat Bhushan (Ed.) 2nd revised and extended edition. Berlin – Heidelberg – New York: Springer. Science + Business Media Inc., 2007.
  17. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2007. 416 с.
  18. Новые материалы / Под ред. Ю.С. Карабасова. М.: МИСиС, 2002. 736 с.
  19. Жиляев А.П., Пшеничнюк А.И. Сверхпластичность и границы зерен в ультрамелкозернистых материалах. М.: Физматлит, 2008. C. 320.
  20. Чувильдеев В.Н. Неравновесные границы зерен в металлах. Теория и приложения. М.: Физматлит, 2004. С. 304.
  21. Hill T.L. Thermodynamics of Small Systems. Part 1. New York – Amsterdam: W.A. Benjamin, Inc., Publ., 1963.
  22. Hill T.L. Thermodynamics of Small Systems. Part 2. New York – Amsterdam: W.A. Benjamin, Inc., Publ., 1964.
  23. Товбин Ю.К. Малые системы и основы термодинамики. М.: Физматлит, 2018. 408 с. [Tovbin Yu.K. Small systems and fundamentals of thermodynamics. CRC Press, Boca Raton, Fl, 2019.]
  24. Петров Ю.И. Физика малых частиц. М.: Наука, 1982. 360 с.
  25. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984. 310 с. [Gregg S.J., Sing K.G.W. Adsorption, Surface Area, and Porosity. Academic Press, London, 1982.]
  26. Черемской П.Г. Поры в твердом теле. М.: Энергоатомиздат, 1990. 376 с.
  27. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979. [Adamson A.W. Physical chemistry of surfaces. Third edition. New – York – London – Sydney – Toronto: Wiley, 1975.]
  28. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Высш. школа, 1992. 414 с.
  29. Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности. Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2008. 568 с.
  30. Урьев Н.Б., Потанин А.А. Текучесть суспензий и порошков. М.: Химия, 1992.
  31. Потанин А.А., Муллер В.М. // Коллоидн. журн. 1995. Т. 57. № 4. С. 533.
  32. Урьев Н.Б., Кучин И.В. // Успехи химии. 2006. Т. 75. С. 36.
  33. Дерягин В.Б., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М.: Наука, 1985. 400 с.
  34. Товбин Ю.К. // Изв. АН. Сер. Хим. 2003. Т. 52. № 4. С. 827.
  35. Товбин Ю.К. Молекулярная теория адсорбции в пористых телах. М.: Физматлит, 2012. 624 с. [Tovbin Yu.K. Molecular theory of adsorption in porous solids. CRC Press, Boca Raton, Fl, 2017.]
  36. Bicanic N. Discrete Element Methods in Stein. de Borst, Hughes Encyclopedia of Computational Mechanics. V. 1. Wiley, 2004.
  37. 2nd International Conference on Discrete Element Methods / Ed. Williams J.R., Mustoe G.G.W. IESL Press, 1992.
  38. Williams J.R., O’Connor R. Discrete Element Simulation and the Contact Problem // Archives of Computational Methods in Engineering. 1999. V. 6. № 4. Р. 279.
  39. Munjiza A. The Combined Finite-Discrete Element Method. Wiley, 2004.
  40. Галкин В.А. Уравнение Смолуховского. М.: Физматлит, 2001. 336 с.
  41. Дорофеенко С.О., Полианчик Е.В., Манелис Г.Б. // Докл. АН. 2008. Т. 422. С. 1.
  42. Дорофеенко С.О. // ТОХТ. 2007. Т. 41. С. 1.
  43. Товбин Ю.К. // Российские нанотехнологии. 2010. Т. 5. № 11–12. С. 715.
  44. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977. 349 с.
  45. Зинкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986. 318 с.
  46. Хилл Т. Статистическая механика. М.: Изд-во иностр. лит., 1960. [Hill T.L. Statistical Mechanics. Principles and Selected Applications. N.Y.: McGraw – Hill Book Comp. Inc., 1956.]
  47. Хуанг К. Статистическая механика. М.: Мир, 1966. 520 с. [Huang K. Statistical mechanics. N.Y.: Wiley H. & Sons, Inc. 1963.]
  48. Товбин Ю.К. Теория физико-химических процессов на границе газ – твердое тело. М.: Наука, 1990. [Tovbin Yu.K. Theory of physical chemistry processes at a gas – solid surface processes. Boca Raton, Fl.: CRC Press, 1991.]
  49. Guggenheim Е.А. Mixture. Oxford: Univer. Press, 1952. 271 р.
  50. Смирнова Н.А. Молекулярные теории растворов. Л.: Химия, 1987. 335 с.
  51. Киселев А.В., Пошкус Д.П., Яшин Я.И. Молекулярные основы адсорбционной хроматографии. М.: Химия, 1986. 269 с.
  52. Авгуль Н.Н., Киселев А.В., Пошкус Д.П. Адсорбция газов и паров на однородных поверхностях. М.: Химия, 1975. 284 с.
  53. Steele W. The Interaction of Gases with Solid Surfaces. Oxford etc.: Pergamon Press, 1974. 349 р.
  54. Casimir H.B., Polder D. // Phys. Rev. 1948. V. 73. № 1. P. 36.
  55. Бараш Ю.С. Силы Ван-дер-Ваальса. М.: Наука, 1988. 344 с.
  56. Чураев В.Н. Поверхностные силы и физикохимия поверхностных явлений // Успехи химии. 2004. Т. 73. № 1. С. 26–38. [Churaev V.N. Surface Forces and Physico-chemistry of Surface Phenomena // Russian Chemical Reviews. 2004. V. 73. № 1. P. 25–36.]
  57. Мартынов Г.А. // Коллоидный журн. 2000. Т. 62. № 3. С. 393.
  58. Мелвин-Хьюз Е.А. Физическая химия. М.: Изд-во иностр. лит., 1962. Т. 1. Гл. 7.
  59. Товбин Ю.К. // Журн. физ. химии. 2021. Т. 95. № 4. С. 483.
  60. Товбин Ю.К. // Там же. 2006. Т. 80. № 10. С. 1753.
  61. Товбин Ю.К. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2021. Т. 57. № 1. С. 3.
  62. Товбин Ю.К., Петухов А.Г. // Изв. АН. Сер. Хим. 2008. № 1. С. 18.
  63. Товбин Ю.К. // Журн. физ. химии. 2021. Т. 95. № 4. С. 655.
  64. Сторонкин А.В. Термодинамика гетерогенных систем. Л.: Изд-во ЛГУ, 1967. Чч. 1–2. 447 с.
  65. Товбин Ю.К., Еремич Д.В., Комаров В.Н., Гвоздева Е.Е.// Хим. физика. 2007. Т. 26. № 9. С. 98.
  66. Товбин Ю.К., Зайцева Е.С. // Журн. физ. химии. 2020. Т. 94. № 12. С. 1889.
  67. Базаров И.П. Термодинамика. М.: Высш. школа, 1991. 376 с.
  68. Воронин Г.Ф. Основы термодинамики. М.: Изд-во МГУ, 1987. 192 с.
  69. Кубо Р. Термодинамика. М.: Мир, 1970. 304 с.
  70. Зайцева Е.С., Товбин Ю.К. // Физико-химия поверхности и защита материалов. 2024. Т. 60. № 1. С. 3.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Приложение
Скачать (131KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024