English Russian

  ИТФ УрО РАН. Основан в 1988 г.


Результаты исследований:

  • Сотрудниками лаборатории впервые получены экспериментальные данные по предельным перегревам и частоте нуклеации в криогенных жидкостях (конденсированные инертные газы, водород и его изотопы, азот, кислород, компоненты природного газа) в широком интервале давлений, включая окрестность критической точки.
  • Исследованы теплофизические свойства (р, Т – параметры, скорость и поглощение ультразвука, теплоемкость) криогенных жидкостей в метастабильном (перегретом) состоянии.
  • В экспериментах с перегретыми органическими жидкостями изучены кинетические свойства (вязкость, теплопроводность).
  • В широком интервале температур определено поверхностное натяжению криогенных, низкокипящих жидкостей и их растворов.
  • Предложена кинетическая теория вскипания перегретых жидких растворов, учитывающая все основные факторы лимитирующие рост парового пузырька.
  • Методом молекулярной динамики впервые изучена устойчивость метастабильных состояний (перегретая и переохлажденная жидкость, перегретый кристалл, пересыщенный пар) простого вещества.
  • Разработаны методы расчета уравнения состояния, изобарной теплоемкости, скорости распространения ультразвука в перегретых органических жидкостях и границы термодинамической устойчивости жидкой фазы.
  • Экспериментально исследована кинетика спонтанного вскипания бинарных растворов криогенных жидкостей с полной и частичной растворимостью компонент.
  • Выполнено комплексное исследование теплоотдачи к эмульсиям с низкокипящей дисперсной фазой. Установлено значительное расширение температурных интервалов пузырькового кипения.
  • Исследована кинетика вскипания органических жидкостей в стеклянных капиллярах в зависимости от их объема, в присутствии мелкодисперсных металлических частиц и адсорбентов, на поверхностях с различной гидрофобностью.
  • В области сверхпроводимости изучены магнитные свойства гранулированных сверхпроводников в зависимости от концентрации сверхпроводящей фазы. Исследован эффект уменьшения мейсснеровской восприимчивости при высокой концентрации сверхпроводящей фазы.
  • Изучена устойчивость левитации высокотемпературных сверхпроводников при колебаниях внешнего магнитного поля и влияния крипа потока. Обнаружен эффект резонансной раскачки и срыва левитации сверхпроводников переменным магнитным полем.
  • Исследовано явление стабилизации левитации при реверсном намагничивании сверхпроводников. Разработана модель внутренней магнитной релаксации.
  • Предложена новая методика расчетов надежности топливо- и энергосбережения регионов по интегральным показателям.
  • Исследованы взаимодействия энергетических и экономических факторов в оценках энергетической безопасности.

 Основные результаты 2004 годов

Эксперимент
Поверхностное натяжение растворов криогенных жидкостей
Измерена капиллярная постоянная и определено поверхностное натяжение растворов гелий - азот, гелий - аргон, неон - аргон, азот – кислород и азот – кислород - гелий. Опыты проведены по изотермам в интервале температур 90-118 К (система Не-N2), 108-140 К (He-Ar), 110-140 K (Ne-Ar), 100-132 К (N2-O2). Поверхностное натяжение трехкомпонентной системы N2-O2-Не измерено при температурах 124 и 128 К и семи значениях концентрации базового раствора азот – кислород. Давление в растворах варьировалось от давления насыщения до 4 Мпа. Обнаружено снижение поверхностного натяжения с ростом концентрации низкокипящего компонента.

Поверхностное натяжение раствора гелий - азот при температуре: 1 - T = 90, 2 – 100, 3 – 110, 4 – 112, 5 – 114, 6 – 118 К; s0 – поверхностное натяжение чистого азота. Сплошные линии – аппроксимация экспериментальных данных.

В лаборатории измерены времена жизни перегретого н-пентана с малыми (до 0,8% по массе) добавками маслорастворимого, пленкообразующего поверхностно–активного вещества (ПАВ) – полиэтилсилоксана. Введенное ПАВ образует на стенках сосуда, в котором перегревается н-пентан, родственную ему поверхность. Малые добавки ПАВ не изменяют основных свойств н-пентана, оказывающих влияние на степень перегрева. Измерения произведены в стеклянных капиллярах диаметром 1, 0,2 и 0,1 мм. Во всех случаях наблюдается значительное увеличение среднего времени ожидания вскипания перегретой жидкости. В опытах с применением капилляров малого диаметра достигаются температуры перегрева приблизительно на 1ºС выше, чем в чистой жидкости. При выдержке в них исследуемых растворов под давлением в течение нескольких суток наблюдается отсутствие вскипания жидкости более 300 с., начиная от границы достижимого перегрева н-пентана до температуры 150 – 152 ºС. В этом интервале температур происходит единственное вскипание, после которого время ожидания вскипания становится отличным от нуля лишь при уменьшении температуры ниже обычной границы достижимого перегрева.

Компьютерный эксперимент
Линия плавления, спинодаль и особая точка при отрицательных давлениях

В молекулярно-динамических экспериментах по моделированию свойств жидкой и кристаллической фаз простого вещества установлено, что метастабильное продолжение линии плавления в области отрицательных давлений «встречается» со спинодалью растянутой жидкости. Показано, что точка «встречи» есть некоторая новая особая точка на термодинамической поверхности состояний.

Фазовая диаграмма леннард-джонсовской системы в координатах r,T(a) и T,r(b).CD - спинодаль растянутой жидкости. AB (A'B') - метастабильное продолжение линии плавления. A - точка "встречи" спинодали и линии плавления.

Теория
Расширенный вариант теории капиллярности Ван-дер-Ваальса

Предложен расширенный вариант теории капиллярности Ван-дер-Ваальса, описывающий межфазную границу жидкость-пар в диапазоне температур от тройной точки до критической. Построен модельный функционал термодинамического потенциала двухфазной леннард-джонсовской системы, учитывающий влияние старших членов градиентного разложения. В рамках принятого вида функционала доказана тождественность термодинамического и механического определения параметра Толмена. Описаны свойства зародышей жидкой и паровой фаз. Определены: работа образования зародыша, профили плотности, размерные зависимости поверхностного натяжения и параметра d в уравнении Гиббса-Толмена-Кенига-Баффа.

Размерные зависимости поверхностного натяжения (а) и параметра (b) в области больших радиусов кривизны разделяющей поверхности при (линии 1,1') 0.9 (2,2'), 1.1 (3,3'). Область c = 1/R* > 0 соответствует пузырькам пара в метастабильной жидкости, c < 0 - капелькам в паре. Пунктиром отмечена граница спонтанного вскипания жидкости, отвечающая активизации W*/kT = 70. Параметры леннард-джонсовской модели: , критическая температура .

Основные результаты 2005 года

По результатам компьютерных экспериментов построена расширенная фазовая диаграмма простого веществам (типа аргона), отображающая кроме линий фазовых равновесий их метастабильные продолжения и границы устойчивости – спинодали жидкости, газа, кристалла при положительных и отрицательных давлениях до температур близких к абсолютному нулю. Установлено, что фазовые равновесия кристалл-жидкость и жидкость-газ прекращаются в некоторых особых точках, каковыми являются точки встречи кривых плавления и сублимации со спинодалями, соответственно, жидкости и кристалла.

В 2005-2006 гг. лаборатория принимала участие как соисполнитель в выполнении государственного контракта «Разработка электрооборудования с использованием технологии высокотемпературной сверхпроводимости». Контракт предусматривал разработку и создание опытного образца электроэнергетической установки ООЭЭУ, включающей ВТСП устройства – генератор, трансформатор, двигатель. В лаборатории проведены теплофизические расчеты криогенных устройств, исследована релаксация намагниченности ВТСП элементов, разработана программа теплофизических испытаний ООЭЭУ, даны рекомендации по созданию опытно-промышленной электроэнергетической установки.

Основные результаты 2006 года

Разработана новая расширенная совокупность индикативных показателей оценки надежности систем энергетики и энергетической безопасности регионов. Предложен метод оценки вкладов нефтегазового комплекса в формирование состояния надежности систем энергетики и энергетической безопасности. Метод апробирован на территориях Уральского федерального округа.

Разработан способ получения нового типа металлопокрытий на токопередающих поверхностях разборных контактных соединений в электротехническом оборудовании, позволяющий на порядок уменьшить и стабилизировать величину переходного электрического сопротивления, снизить потери электроэнергии и нагрев в этих устройствах, обеспечить возможность непосредственного соединения медных и алюминиевых контакт -деталей. Главное преимущество предложенного способа по сравнению с технологиями нанесения оловянистых и серебряных металлопокрытий состоит в том, что он может применяться не только в условиях стационарного производства, но и на действующих объектах электроэнергетики, где до сих пор работают сотни тысяч контактных устройств без защитных металлопокрытий, в том числе с непосредственным соединением медных и алюминиевых контакт – деталей, что запрещено ГОСТом.