Кінетика встановлення рівноваги та властивості розчину метанол-гексан в гравітаційному полі поблизу критичної температури.

РОЗДІЛ 2
ОПТИЧНІ МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕННЯ НЕОДНО­РІДНИХ СИСТЕМ В ГРАВІТАЦІЙНОМУ ПОЛІ
В просторово неоднорідній системі поблизу критичної точки, що знаходиться в
зовнішньому гравітаційному полі, вздовж висоти в ізотермічних умовах
реалізується неперервний набір густин r(z) і концентрацій с(z). Величина
неоднорідності таких систем поблизу критичної точки залежить від індивідуальних
характеристик досліджуваних речовин [155]. Дослідження таких неоднорідних
систем дозволяють одержувати інформацію як про температурні, так і про польові
залежності параметрів речовини.
Експериментальні методи дослідження властивостей індивідуальних речовин, а тим
більше, розчинів поблизу критичних точок, складні та трудомісткі. Аномальна
поведінка систем в критичному стані ставить великі вимоги до вибору методів
дослідження, створенню експериментальних установок, проведенню вимірювань та
обробці результатів. Повільне встановлення рівноваги в системі поблизу
критичної точки вимагає тривалого термостатування, що значно збільшує час
проведення експерименту. Для вирішення задачі дослідження критичних явищ в
рі­дин­них системах поблизу критичних температур випаровування і
роз­ша­ру­ван­ня [1, 19] широко використовується цілий ряд експериментальних
ме­то­дів: PVТ-методи, акустичні, реологічні, нейтронні, оптичні – розсіяння
світ­ла та рефрактометричний [102, 176, 177]. З нашої точки зору, для
до­слід­жен­ня критичних явищ в рідинах поблизу критичної точки в бага­тьох
ви­пад­ках доцільно використовувати оптичні методи [77, 178] внаслідок їх
великої чутливості до дії гравітаційного поля. Дійсно, як показує аналіз
експериментальних даних [155], поблизу критичної точки при зміні густини
речовини з висотою системи лише на 10 % зміна градієнта показника заломлення
dn/dz(z) ~ dr/dz(z) складає два-три порядки.
В зв'язку з цим в цій роботі були використані два оптичні рефрактометричні
методи дослідження градієнта показника заломлення та показника заломлення. До
переваг цих методів, окрім чутливості, слід віднести також відсутність їх
впливу на стан досліджуваної системи в околі критичної точки, можливість
одночасного проведення експерименту вздовж усієї висоті системи.
2.1. Методика вимірювання градієнта показника заломлення dn/dz(z, T)
неоднорідної рідини в гравітаційному полі поблизу критичної точки
В основу експериментального дослідження за­лом­люючих власти­вос­тей середовища
було покладено явище відхилення променів від прямо­лі­ній­ного поширення в
оптично неоднорідній системі. З цією метою була ви­ко­ристана оптична установка
[179], яка схематично зо­бра­жена на Рис. 2.1.
Рис. 2.1. Схема оптичної установки для вимірювання градієнта показ­ни­ка
заломлення неоднорідної речовини поблизу критичної точ­ки.
Світло від джерела S (ртутна лампа ДРШ-250) за допомогою конденсора О1 з
фокусною відстанню F1 = 90 мм, пройшовши через оптичний фільтр Ф (l = 546 нм),
фокусувалось на точкову діафрагму Д (Ж = 0,2 мм). Діафрагма Д була розміщена в
фокусі об'єктиву О2 (F2 = 400 мм). Після О2 нормально до його головної оптичної
осі встановлювалась пластинка П (Рис. 2.1) з набором щілин (Ж = 0,4 мм) 1, 2, 3
і т.д. (Рис. 2.2), розташова­них під кутом 45° до вертикалі. На шляху
паралельних світлових променів 1 та 2, що пройшли через щілини П на різних
висотах, вста­нов­лю­валась камера К з досліджуваною речовиною поблизу
кри­тичної точки. Вісь світлового променя OO (Рис. 2.1) про­хо­ди­ть через
центр камери. Внаслідок гравітаційного ефекту на виході з ка­ме­ри промені 1 і
2 відхиляються від горизонтального напряму на різні кути в залежності від
висоти, на якій вони проходять крізь камеру.
Зв'язок між кутом відхилення a світлового променя в вертикальній пло­щині та
висотним градієнтом показника заломлення dn/dz дається ви­ра­зом, який
справедливий при малих значеннях dn/dz [11]:
(2.1)
де w – товщина шару речовини у напрямі падаючого світлового променя.
Вимірювання проводяться таким чином. Спочатку камера з ре­чо­ви­ною
нагрівається до температури, що на 15° – 20° С перевищує кри­тич­ну. При цьому
світлові промені, проходячи через однорідну систему на будь-якій висоті, не
відхиляються від початкового напряму поширення. Во­ни потрапляють на
фотопластину ФП, яка розташована на відстані L = 21 см від камери, і
фотографуються. На Рис. 2.2 показані експе­риментально отримані дані на
фотопластинках для розчину метанол-гексан для різних температур.
Після цього система охолоджується до температур, близьких до критичної.
Відхилені при проходженні неоднорідної системи промені знову фіксуються на
фотопластинці. Кут відхилення a променів від горизонтального напрямку
розраховується по формулі:
tga = d/L,
(2.2)
де d – зсув заломленого променя на фотопластинці відносно горизон­таль­но­го
напрямку. Величина зсуву визначається на мікрофотометрі МФ-4 з точніс­тю
0,1 мм.
Рис. 2.2. Фотографічне зображення ходу променів через неоднорідний з висотою
розчин метанол-гексан поблизу критичної температури розшарування.
Досліджувана речовина поміщена в герметичну камеру, ви­го­тов­ле­ну з
нержавіючої сталі [77]. Камера має вертикальний канал, в якому зроблені бокові
прорізи прямокутної форми розміром 8 ё 42 (мм2). Бокові прорізи герметично
закриваються плоскопаралельними скляними пластинками. Речовина заливається в
камеру через боковий отвір, який закривається мідною пробкою (Рис. 2.3).
Камера з речовиною поміщається в термостатуючу піч, що знахо­дить­ся в
вакуумному кожусі. Одна спіраль печі використовується для загаль­но­го нагріву
камери, інша, що знаходиться в кришці - для у