Una técnica análoga macroscópica para el estudio de procesos hidrodinámicos Molecular en Gases densos y líquidos

Summary

Se presenta un método analógico experimentalmente accesible para el estudio de procesos hidrodinámicos moleculares en fluidos densos. La técnica utiliza la velocimetría de imagen de partículas de montones de grano vibrado, de alta-restitución y permite la observación directa, macroscópica de dinámicos procesos conocidos y predice que existen en la interacción, alta densidad de gases y liquidos.

Abstract

Se describe un método análogo, macroscópico para el estudio de procesos hidrodinámicos de escala molecular en gases densos y líquidos. La técnica aplica un estándar líquido dinámico diagnóstico, partícula imagen velocimetry (PIV), para medir: i) las velocidades de las partículas individuales (granos), extant en colisión de grano corto, escalas de tiempo, velocidades ii) de los sistemas de partículas, en tanto corto colisión-época – y iii largo, continuo-flujo-tiempo-escalas,) modos hidrodinámicos colectivos existe en líquidos moleculares densos y iv) funciones de autocorrelación de velocidad corto – y largo-tiempo-escala, centrales para entender la dinámica de la partícula-escala en sistemas de fluidos densos, interacción. El sistema básico se compone de un sistema de proyección de imagen, fuente de luz, sensores de vibración, sistema de vibración con un software de análisis y PIV y los medios de comunicación, conocido. Se destacan requiere mediciones experimentales y un esquema de las herramientas teóricas necesarias cuando se utiliza la técnica análoga para estudiar procesos hidrodinámicos de escala molecular. La propuesta técnica proporciona una alternativa relativamente sencilla a la fotónica y métodos de dispersión utilizados tradicionalmente en estudios hidrodinámicos moleculares de la viga de neutrón.

Introduction

Molecular hidrodinámica estudia la dinámica y la mecánica estadística de moléculas individuales y colecciones de moléculas en líquidos. Entre las muchas técnicas experimentales desarrollaron para el estudio de sistemas moleculares hidrodinámica^1,2, dispersión de la luz^1,2,3, simulaciones dinámica molecular^{4, 5,6,7} y, en menor medida, de la dispersión inelástica de neutrones⁸ han sido utilizados más comúnmente. Por desgracia, limitaciones significativas Conecte a las dos últimas técnicas. Simulaciones de dinámica molecular (MD), por ejemplo: i) están limitadas a pequeñas espacial y temporal dominios que contienen relativamente pocas moléculas , ii) requieren el uso de aproximado entre partículas potenciales, iii) suelen presentar periódica condiciones de contorno, válidas bajo condiciones de flujo a granel de no-equilibrio y iv) en la actualidad, no pueden responder la pregunta fundamental de cómo molecular-escala dinámica, que implica las moléculas individuales o colecciones de moléculas, son afectadas por y par de vuelta a granel, no equilibrio fluido. La principal limitación asociada a la dispersión de neutrones está ligada a la dificultad de acceder al número limitado de fuentes de neutrón viga disponibles.

Para proporcionar el contexto para la técnica experimental análoga presentada en este artículo, se destacan técnicas de dispersión de la luz aplicadas a los fluidos de gas denso y estado líquido simple. En un experimento de dispersión de la luz típico, se dirige un haz de luz láser polarizada a un volumen pequeño interrogatorio que contiene una muestra de líquido estacionaria. Luz dispersada de las moléculas dentro de la muestra entonces se detecta en un ángulo fijo respecto al haz incidente. Según el régimen de dinámico molecular de interés, la detección y análisis de la señal luminosa dispersa incorpora luz filtrado o mezcla de métodos de detección de luz. Señalados por Berna y Pecora¹, técnicas de filtración que sonda dinámica molecular del estado líquido a tiempo escala menor s, introducir un interferómetro de la dispersión o rejilla de difracción y permiten la exploración de la densidad espectral de la luz dispersada. Mezcla de técnicas, utilizadas para la escala de tiempo lenta dinámica, óptica s, por el contrario, incorporar un analizador autocorrelador o espectro de la dispersión, en el que el contenido espectral de la señal dispersa se extrae de la luz dispersada medida intensidad.

En general, láser sondas, por lo menos las que operan en el rango visible del espectro, con longitudes de onda mucho más largas que el espacio característico entre las moléculas del estado líquido. En estas circunstancias, el haz de la sonda excita cinco colectiva, escala de tiempo lenta, modos hidrodinámico de larga longitud de onda^2,9,10 (lentos en comparación con la frecuencia de colisión característico): dos viscosamente amortiguación, en propagación de ondas de sonido, dos modos de Vorticidad desacoplados, puramente difusivo y un modo solo difusión térmica (entropía). Los modos de sonido muy contentos en la dirección (longitudinal) del haz incidente, mientras que los modos en torbellino se excitan en la dirección transversal.

Considerando puramente experimental de dispersión de técnicas, de dos cuestiones fundamentales, en el centro del equilibrio y mecánica estadística de no equilibrio molecular, estado líquido sistemas, permanecen más allá de la luz y las medidas de dispersión de neutrones:
1) rigurosos argumentos^9,11 muestran que la dinámica de colisión – y sub-collision-escala de tiempo al azar, de estado líquido las moléculas individuales, sujetos a la dinámica newtoniana clásica o dinámica cuántica, puede proceder a su refundición en el forma de ecuaciones de Langevin generalizadas (GLE). GLE, a su vez, conforman una herramienta teórica central en el estudio de la mecánica estadística de no equilibrio de las moléculas en los gases densos y líquidos. Por desgracia, ya que la dinámica de moléculas individuales (no macromolecular) no se puede resolver por cualquier técnica de dispersión, actualmente no hay manera directa, más allá de simulaciones, para probar la validez de la GLE.
2) una hipótesis fundamental estará en el centro de dinámica de fluidos de continuum macroscópico, así como microescala molecular hidrodinámica, postula en longitud – y escalas de tiempo grande en relación con la colisión, pero pequeña en relación con el continuum y diámetros moleculares y tiempo-escalas de la longitud, prevalece equilibrio termodinámico local (LTE). En continuo flujo y calor transferencia modelos, como las ecuaciones de Navier-Stokes (NS), la asunción de LTE es necesario⁹ para pareja intrínsecamente no-equilibrio, flujo continuo-escala y características de transporte de energía, como tensiones de esquileo viscosas y conducción térmica: a estrictamente equilibrio propiedades termodinámicas, como temperatura y energía interna. Asimismo, mientras que el transporte de momentum y energía de microescala son procesos intrínsecamente no-equilibrio, lo que refleja la aparición de masa acoplada, en microescala, impulso y corrientes de energía, los modelos de estos procesos de microescala asumen que las corrientes representan las perturbaciones pequeñas de LTE⁹. Una vez más, al mejor de nuestro conocimiento, no han sido pruebas experimentales directas de la asunción de LTE. En particular, parece que no hay experimentos de dispersión hidrodinámica molecular se han intentado en flujos de fluidos densos, móviles, no equilibrio.

En este trabajo, describiremos una técnica experimental análoga en la cual la partículas macroscópicas, solo y la dinámica de la partícula colectiva de montones de grano vibrado, medidos utilizando estándar partícula Imaging Velocimetry (PIV), puede utilizarse para predecir indirectamente, interpretar y exponer solo y multi molecule hidrodinámica en gases densos y líquidos. Los elementos físicos y teóricos que permitan a la técnica propuesta se afirmó en un reciente artículo publicado por nuestro grupo¹². Experimentalmente, el sistema macroscópico debe exhibir: (i) una tendencia sostenida a la local, equilibrio mecánico estadístico de macroescala y (ii), lineares llegadas del equilibrio que imitan las fluctuaciones de no equilibrio (débiles) observado en sistemas hidrodinámicos moleculares. Teóricamente: modelos de microescala i clásico que describe el equilibrio y la mecánica estadística débil no equilibrio de denso, sistemas N-partículas interactuantes se deben replantear en forma de macroescala, y (ii) los modelos resultantes de la macroescala deben confiablemente predecir la dinámica de partícula única y múltiple, de cortas, partícula-colisión-plazos para largo, continuo-flujo-plazos.

Aquí, presentamos un protocolo experimental detallado así como representante de resultados obtenidos por la nueva técnica. En contraste con simulaciones y luz y métodos de dispersión de neutrones, la nueva técnica permite, por primera vez, un estudio detallado de procesos hidrodinámicos moleculares dentro fluyendo, fuertemente no-equilibrio, densa de gases y líquidos.

Protocol

1. preparación del sistema vibratorio Configurar el sistema vibratorio como se muestra en la figura 1. Este sistema consta de un anular poliuretano tazón de fuente (con un diámetro exterior de 600 mm), unido a una sola velocidad (1740 rpm), motor desequilibrado, donde este último genera vibraciones de proceso. Este es conectado a una base ponderada y separado por un grupo de ocho muelles (el tazón de fuente y la base ponderada se compran montado como una sola pieza). …

Representative Results

En la presentación de resultados representativos, nos referimos a procesos de escala de tiempo continuo como ésos observados y predichos sobre escalas de tiempo, que son largas en relación con la escala de tiempo de colisión de grano característica, y escala de tiempo d…

Discussion

Para utilizar pilas de grano vibrado como análogos macroscópicos para investigar procesos hidrodinámicos moleculares, un experimentador debe, por un lado, aprender y utilizar cuatro medidas básicas y por el otro, dominar algunos elementos básicos de equilibrio y mecánica estadística de no equilibrio. Centrarse primero en las mediciones experimentales, estas incluyen: i) medición de la dinámica individual de grano a través de la medición de la función de autocorrelación simple partícula velocidad, ii) medici…

Materials

Vibratory Polishing Bowl	Raytech	AV-75
Flow Meter	Peristaltic Pumps	913 Mity Flex
Scale	Pelouze	4040
Triaxial Accelerometer	PCB Piezotronics	PCB 356B11	Accelerometer with Sensor Signal Conditioner
Data Acquisition Computer	IBM	Thinkpad	Used with high speed camera
High Speed Camera	Redlake	Motionxtra HG-XR
Zoom Lens	Tamron	Model A18	18-250mm F/3.5-6.3
High intensity Light	ARRI	EB 400/575 D
Data Processing Computer	Dell	Dell Precision Tower 7910
PIV Software	Dantec Dynamics	Dynamic Studio 2013	version 3.41.38
Data Acquisition Hardware	National Instruments	SCXI	SCXI-1000 Chasis with SCXI 1100 Card and SCXI 1303 Adapter
Data Acquisition Software	National Instruments	LabVIEW 2012
Data Processing Software	MATHWORKS	MATLAB
Polishing Media	Rosler	RSG 10/10S	Multiple media types used (mixed, spherical, triangular)
Polishing Solution	Rosler	FC KFL (3%)	3% soap solution with water
Ruled Scale	Swiss Precision Instruments	13-911-3
Graduated Cylinder	Global Scientific	601082