Анализ поведения вязкости конденсированных систем с

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ
КАФЕДРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКИ
Галимзянов Булат Наилевич
Итоговая научная конференция профессорско-преподавательского состава
Института физики КФУ.
Секция «Компьютерное моделирование материалов и физических процессов»
Казань-2016
Актуальность и цель работы
Существует необходимость в приведенной температурной шкале
– единой для всех систем.
Необходимость в описании температурного поведения вязкости
конденсированных
систем
(жидкостей,
переохлажденных
жидкостей, стекол и т.д.) с помощью единой обобщенной
модели.
Необходимость в адекватном методе классификации сильных
(strong) и хрупких (fragile) стеклообразующих систем.
Граница перехода fragile-to-strong не определена корректно.
Цель:
Расчет
параметра
хрупкости
и
классификация
стеклообразующих систем на сильные и хрупкие с
помощью единой приведенной температурной шкалы.
Что такое вязкость?
Вязкость –
(динамическая
вязкость)
свойство жидкости оказывать сопротивление относительному
движению (сдвигу) частиц системы [Па
•
с]
(обусловлено возникновением сил внутреннего трения).
~
1 Па  с  10 Пуаз
1
T
Вязкость некоторых веществ
Вещество
T
Вязкость
 (Па • с)
Воздух
25 С
 18 10 6
Водяной пар
25 С
 9 10 6
Вода
20 С
 10 3
Бензин
20 С
 0.5 10 3
Ртуть
20 С
 1.5 10 3
Свинец (расплав)
440 С
 2.1 10 3
Алюминий
(расплав)
700 С
 2.9 10 3
Оконное стекло
20 С
 1012
Мантия Земли
(в зависимости от
глубины)
Температура
 2500  С
 10 21  10 24
3
Классификация стеклообразующих систем на сильные и хрупкие
L.-M. Martinez & C. A. Angell,
Nature 410, 663 (2001)
P.G. Debenedetti, F.H. Stillinger, Nature 410, 259 (2001)
Tg /T
Температурная зависимость вязкости различных
конденсированных систем – «Angell plot»
strong
fragile
Кварцевое стекло
- сильные («хорошие») стеклообразующие
системы (свойства: прочность, низкий
молярный вес)
- хрупкие («плохие») стеклообразующие
системы (свойства: узкий температурный
диапазон стеклования, высокая молярная
масса)
Хлорид
цинка
4
Температура стеклования
Взято из: K.Vollmayr, W. Kob and K.Binder
J. Chem. Phys. 105, 4714 (1996)
Чем выше скорость охлаждения, тем выше
температура стеклования системы
Для одной и той же системы температура
стеклования может быть разной
Характеристики некоторых силикатных
и боратных стекол
V.M. Fokin, E.D. Zanotto, J.W.P. Schmelzer
J. Non-Cryst. Solids 321, 52 (2003)
Отношение температуры стеклования и
плавления для разных систем может сильно
отличаться
5
Единая приведенная температурная шкала
[A.V. Mokshin and B.N. Galimzyanov, J. Chem. Phys. 142, 104502 (2015)]
Абсолютная температура заменяется приведенной температурой
~
T
Уравнение параболы, проходящей через
три температурные точки
T
~
T  K1 
T
 g
K1 
0.5Tm2  Tg2
Tm (Tm  Tg )


  K2  T

T

 g
, K2 




2
Tg (Tg  0.5Tm )
Tm (Tm  Tg )
При использовании приведенной температурной шкалы температурные
точки ранжируются одинаковым образом для всех систем
6
Преобразование «Angell-plot»
(воспроизведение экспериментальных данных – поиск обобщенной модели)
Предложенная модель корректно воспроизводит
температурную зависимость вязкости конденсированных систем
как в приведенной, так и в абсолютной температурной шкале
10
Расчет параметра хрупкости
Параметр хрупкости
согласно О.К. Энджеллу
m
 log 10  (T )
(Tg / T )
T Tg
Оригинальный метод расчета
параметра хрупкости
~

log

(
T
)
~
10
m
~ ~
 (Tg / T )
  p
~ ~
T Tg
Параметр хрупкости
fragile
strong
fragile-to-strong
[1] Nascimento M. L. F., Aparicio C.
Physica B 398, 71-77 (2007).
[2] Wang L.-M., Angell C. A., Richert R.
J. Phys. Chem. 125, 074505 (2006).
11
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ