Способ моделирования молекулярных процессов

 

Изобретение относится к учебно-демонстрационной технике и позволяет расширить демонстрационные возможности путем имитации агрегатного состояния и фазового перехода вещества при моделировании молекулярных процессов. Емкость из немагнитного прозрачного материала частично заполняют модулями с заданной объемной концентрацией и помещают в электромагнитное поле. Модули выполнены в виде магнитожестких диполей и имеют шарообразную форму . Пропускают регулируемый переменный ток с частотой 5-200 Гц. При определенном значении индукции поля в объеме емкости дисперсная фаза взвешивается и модули совершают вращательное и поступательное движения. Индукцию поля и концентрацию модулей в емкости изменяют в зависимости от характера демонстируемого фазового состояния модели вещества. 2 з.п. ф-лы, 7 ил. ю сл Ю 01 ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (gg 4 G 09 23/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2! ) 3736646/28-12 (22) 29.04.84 (46) 15.08.86. Бюл. № 30 (71) Институт прикладной физики АН МССР и Уральский государственный университет им. А. М. Горького (72) С. В. Сюткин, М. К. Болога, Ю. А. Буевич, И. Ф. Марта, В. В. Тетюхин, Ф. М. Сажин, Д. Г. Осипов и В. N. Заморев (53) 681.136(088.8) (56) Лекционные демонстрации по физике/

Под ред. В. И. Ивероновой. М.: 1972, с. 250—

251. (54) СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПРОЦЕССОВ (57) Изобретение относится к учебно-демонстрационной технике и позволяет расширить демонстрационные возможности путем имитаÄÄSUÄÄ 1251157 д1 ции агрегатного состояния и фазового перехода вещества при моделировании молекулярных процессов. Емкость из немагнитного прозрачного материала частично заполняют модулями с заданной объемной концентрацией и помещают в электромагнитное поле. Модули выполнены в виде магнитожестких диполей и имеют шарообразную форму. Пропускают регулируемый переменный ток с частотой 5 — 200 Гц. При определенном значении индукции поля в объеме емкости дисперсная фаза взвешивается и модули совершают вращательное и поступательное движения. Индукцию поля и концентрацию модулей в емкости изменяют в зависимости от характера демонстируемого фазового состояния модели вещества. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1251157

Изобретение относится к учебно-демонстрационной технике и может быть использовано для моделирования молекулярных процессов в газах, жидкостях.

Цель изобретения — расширение демонстрационных возможностей путем имитации агрегатного состояния и фазового перехода вещества.

На фиг. 1 представлено моделирование молекулярных процессов в газах; на фиг. 2— то же, в жидкостях; на фиг. 3 — график распределения модулей по скоростям; на фиг. 4 и 5 — графики зависимости фазового состояния модулей от их концентрации и величины индукции электромагнитного поля; на фиг. 6 — структура модулей (кристаллическая); на фиг. 7 — то же, с точечными и линейными дефектами.

Способ моделирования молекулярных»роцессов заключается в следующем.

Заполняют емкость имитирующими молекулы вещества модулями, приводят их в хаотическое движение и регистрируют траектории и скорости их перемещения. Модули выполняют в виде магнитожестких диполей и приводят их в хаотическое состояние посредством электромагнитного поля, индукцию которого изменяют от 0,005 до О, l Т л, а емкость заполняют модулями в количестве от 1 — 40 ее объема.

При имитации газовой фазы вещества емкость заполняют модулями в количестве 1—

ЗОЯ ее объема.

При имитации жидкой фазы вещества емкость заполняют модулями в количестве 30 — 40Я ее объема.

Способ осуществляют следующим образом.

Емкость, выполненную из немагнитного прозрачного материала, частично заполняют (с заданной объемной концентрацией), модулями, например шарообразной формы, выполненными в виде магнитожестких диполей, и помешают в электромагнитное поле, например поле соленоида, через который пропускают регулируемый переменный ток с частотой 5 — 200 Гц. При определенном значении индукции поля в объеме емкости дисперсная фаза взвешивается и модули совершают вращательное и поступательное движения. Модули, изготовленные из гексаферрита бария, марганец-алюминиевого сплава, гексаферрита стронция или других материалов, обладают постоянством магнитных свойств в переменных полях с индукцией до 10 Гс при ударных нагрузках.

Индукцию поля и концентрацию модулей в емкости изменяют в зависимости от характера демонстрируемого фазового состояния модели вещества.

Пример 1. Имитацию молекулярных процессов в газах осуществляют следующим образом (фиг. 1 и 4). Модули в виде магнитожестких диполей, выполненные, например, из гексаферрита бария, диаметром 1—

16 мм помещают в емкость в количест5

l5

4О

55 ве 1 — ЗОЯ ее объема. Индукцию поля устанавливают в пределах 0,005 — 0,1 Тл. При помощи скоростной кинокамеры, например

СКС-М, осушествляют в отраженном свете съемку процесса хаотического движения модулей при нескольких значениях индукции поля, при этом на кинограмме меченные по цвету модули отличаются от остальных модулей. В результате обработки кинограмм определяют траектории движения модулей (фиг. 1) и по ним строят график распределения модулей по скоростям (фиг. 3).

Траектории движения модулей при различных значениях индукции элеектромагнитного поля имитируют броуновское движение (хаотическое пульсационное перемещение).

При увеличении индукции (имитация роста температуры) интенсивность движения модулей возрастает, что увеличивает и число столкновений в слое, кривая распределения модулей по скоростям моделирует распределение частиц вещества в соответствии с законом Максвелла-Больцмана, что аналогично повышению скоростей движения молекул газов с ростом температуры (фиг. 3).

При этом концентрацию модулей в слое задают не более 10Я объема емкости для демонстрации молекулярных процессов в разреженных газах, а в плотных газах — в пределах 10 — ЗОЯ объема емкости. При такой концентрации модулей их нахождение в любой точке емкости равновероятно.

Пример 2. Имитацию молекулярных процессов в жидкостях осуществляют следующим образом (фиг. 2 и 5).

Концентрацию модулей в емкости задают более 30Я ее емкости. Аналогично примеру

1 проводят скоростную киносьемку системы магнитожестких диполей с неколькими меченными по цвету модулями. При такой концентрации модули совершают нерегулярные колебания в пределах свободных объемов еемкости с более редкими скачками из одних квазиравновесных положений в другие (фиг. 2).

Экспериментально определяют значения индукции В электромагнитного поля и концентрации Р модулей в емкости, соответствующие различным фазовым состояниям вещества (фиг. 4). Например, кривая I на фиг. 4 соответствует образованию кристаллической структуры из модулей, а кривая

II — ее «плавлению».

При концентрации модулей более 16Я (кривая III на фиг. 5) наблюдают нестабильное состояние, когда структура то «плавится», то образуется вновь. Если <5Я, происходит фазовый переход, при котором модули выпадают в осадок на образовавшуюся кристаллическую структуру, т. е. проявляется механизм обратной связи за счет магнитного упорядочения. При 5 ()<(<16ß одновременно сушествуют две фазы — кристаллическая и жидкая.

B зависимости от соотношения величин индукции и концентрации модулей в ем1251157

Формула изобретения в=о,би5т

Фие 7 кости можно получить как совершенную двух- и трехмерную шестигранную структуру с гексагональной упаковкой (фиг. 6), так и решетки с точечными и линейными дефектами.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет моделировать молекулярные процессы в различных агрегатных состояниях вещества и фазовые переходы.

1. Способ моделирования молекулярных процессов, заключающийся в том, что заполняют емкость имитирующими молекулы вещества модулями, приводят их в хаотическое движение и регистрируют траектории и скорости их перемещения, отличающийся тем, что, с целью расширения демонстрационных возможностей путем имитации агрегатного состояния и фазового перехода вещества, модули выполняют в виде магнитожестких диполей, а приведение их в хаотическое движение осуществляют посредством электромагнитного поля, индукцию которого изменяют от 0,005 до 0,1 Тл, при этом емкость заполняют модулями в количестве 1 — 40% ее объема.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью имитации газовой фазы вещества, емкость заполняют модулями в количестве 1 — 30% ее объема.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью имитации жидкой фазы вещества, емкость заполняют модулями в количестве 30 — 40% ее объема.

1251157

ОЮО.

0 016

0, Р1Г

0,00Ю

0r"

Р,Р72

Р Р19

Р, 01б

g, Р15 г н в п7 АМ

70 М 38 ЗГ Зб 4Р фиг 5

1251157

1/1 г Б 11аг 7

Редактор А. Огар

Заказ 4417/50

Составитель Т Григорян

Корректор М. Максимишинец

Тираж 455 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий б, 45

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская на ., д. /

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4