Физика атмосферных аэрозольных систем. Довгалюк Ю.А - 157 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

СПбГУ | Санкт-Петербург

Составители: 

Рубрика: 

относительно льда. Экспериментально также установлено, что основным процессом гетерогенного
образования ледяных частиц является двухстадийный процесс: конденсация — замерзание.
Наиболее сложной проблемой оказалась задача выявления основных требований,
обусловливающих активное льдообразование на частице. Так как скорость гетерогенного
образования льда определяется энергией, необходимой для образования ледяного зародыша
размером больше критического, то любая частица будет способствовать изменению фазового
состояния путем предоставления устойчивой поверхности, на которой может расти зародыш, снижая
тем самым величину энергии образования устойчивого ядра. Следовательно, для сублимационного
образования ледяной частицы необходимо условие водонерастворимости твердого ядра. Для ядра
замерзания прямой зависимости пороговой температуры кристаллизации от величины
растворимости вещества ядра не наблюдается. В.Я.Никандров показал, что образование льда на
поверхности растворимой подложки имеет место при достижении температур, соответствующих
образованию эвтектики, т.е. смеси ледяных кристаллов и кристалликов подложки без нарушения
структур.
По некоторым данным вокруг растворенных гидрофильных молекул наблюдается тенденция
упрочения молекулярной структуры воды, причем образовавшийся вокруг молекулы «айсберг»,
может иметь льдоподобную структуру и служить «молекулярным ядром замерзания». Вероятно,
характеристикой, влияющей на льдообразующую активность, является ее размер. При сублимации
льдообразующая активность частиц падает с уменьшением их размера (для частиц с r
≤
0,1 мкм), а при
замерзании это явление наблюдается уже для частиц с r=0,03 мкм. Но определяющими
льдообразующую активность частиц являются свойства их поверхности, в частности характеристики
межфазной границы раздела, соответствующей m=cosϑ (ϑ — угол смачивания) при гетерогенной
конденсации. По Н.Флетчеру для сублимации m=(σ
v
-σ
i
)/σ
iv
, а для замерзания m=(σ
w
-σ
i
)/σ
iw
, где
σ
v
,σ
i
,σ
w
— удельные поверхностные энергии на границах раздела частица/пар, лед, вода
соответственно, а σ
iv
,σ
iw
— на границах раздела лед/пар, лед/жидкость. Для неактивных ядер m=-1, а
для высокоэффективных m=+1. Скорости льдообразования (J) по Флетчеру будут определяться так:
для процесса непосредственной кристаллизации на сферическом ядре формулой
где K
1
≅10
26
см
-2
c
-1
; ∆Φ=4πσ
iv
{r
e
mb
}
2
/3; f
1
(m,x) — фактор, зависящий от свойств ядра; x=r
n
ucl
/r
e
mb
, а
r
e
mb
=2µ
w
σ
iv
/[ρ
i
RT(ln(p/p
∞
)], для двухстадийного процесса конденсация — замерзание:
где K
2
=10
28
см
-2
с
-1
; ∆Φ
*
приблизительно равно энергии активизации, необходимой для самодиффузии
молекул в жидкости,
где L
s
— скрытая теплота сублимации; L
ev
— скрытая теплота испарения; T
0
=273 K.
Следовательно, при льдообразовании необходимо, чтобы свободная энергия, связанная с
границей раздела между частицей и льдом, была по возможности малой.
Это условие определяется химической и кристаллографической природой льдообразующего
вещества. Так как решетка льда скреплена водородными связями, то желательно, чтобы на
поверхности зародыша имелись водородные связи с той же прочностью и полярностью, что и между
молекулами во льду, и чтобы молекулы, образующие водородные связи, имели вращательную
симметрию, потому что такие молекулы обязательно будут направлять свои H-связывающие группы
к поверхности (например, водородные связи органических веществ и гидроксильных групп
каолинита и других силикатов).
Кристаллографическое сходство льдообразующего вещества предполагает набор атомов в
решетке, близкий по геометрическому расположению молекул воды в какой-либо плоскости
кристалла льда с низким индексом, близкие длины связей и углы связей, обеспечивающие атомное
соответствие на границе раздела подложки и льда. Благодаря этому возможно эпитаксиальное или
ориентированное нарастание льда на подложке. Если имеются различия, то решетки льда либо
подложки могут упруго деформироваться для соответствующего сцепления с другой решеткой, что
предполагает относительно низкий модуль упругости второго рода для подложки. Большое

Страницы