Дисперсные системы часто встречаются в нашей жизни, поэтому в последние годы все больше проявляют особый интерес к изучению физике дисперсных систем. В более ранних исследованиях проведенных в лабораториях в физике дисперсных систем обнаружен эффект влагопереход с поверхности льда. В работах [1,2,3] представлены результаты по исследованию влагоперехода на границе льда с различными материалами. Обнаружено две фазы влагоперехода описываемые разными математическими моделями.
Задача исследования состояла в изучении влияния температурного градиента в грунте на переход воды со льда в дисперсную среду. Для данного эксперимента был выбран в качестве дисперсной среды – песок.
Методика проведения
В чашки насыпался очищенный и охлажденный до –15°C песок. Далее сверху помещали льдинки толщиной примерно 1 см. Затем 4 из 5 сосудов ставили на нагревательные элементы разной мощности, которые находились в холодильнике. Термопары располагали на границе лед – дисперсная среда, а вторая под чашкой. Последующие дни измеряли массу песка, термоэдс и напряжение на нагревателях 2 раза в сутки с интервалом ≈ 6 часов при постоянной силе тока.
Экспериментальные результаты
На рис. 1 представлены временные зависимости массы воды, перешедшей с поверхности льда в песок при различных мощностях подогрева (P1= 0,12 Вт; P2=0,17 Вт; P3=0,24 Вт; P4=0,40 Вт; P5=0 Вт). На рис. 2 изображена зависимость разности температур от мощности подогрева. Рис. 1 демонстрирует, что нижний подогрев в целом увеличивает скорость влагоперехода. Но при этом увеличение мощности подогрева уменьшает влагопереход. При этом, как свидетельствует рис. 2, не наблюдается монотонность в зависимости от мощности подогрева. Это свидетельствует о многофакторности исследуемой проблемы.
Обсуждение результатов
Сначала поступим формально и определим зависимость коэффициента теплопроводности на основании формулы:
, (1)
где l – коэффициент теплопроводности, S – площадь сечения песка, U – термоэдс термопары, измеряющей разность температур, h – толщина слоя песка и a – коэффициент термоэдс.
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
На рис. 3 представлена зависимость, наблюдаемая lэксп от мощности подогрева. Тот факт, что 
и то, что коэффициент теплопроводности меньше, чем табличные (l=2,2 Вт/м×К) для песка, свидетельствует о наличие дополнительного теплового сопротивления. Возникновение дополнительного теплового сопротивления связано с диффузией молекул H2O при переходе с поверхности льда в грунт. Плотность потока числа молекул H2O через границу составляет
(2)
и определяет перенос тепла
.
Это эквивалентно
.
Это приводит к тому, что 
. Полученная зависимость
представлена на рис. 4. Общая наблюдаемая тенденция определяет убывание lэксп от 
. При этом самые большие значения 
соответствует малому значению мощности. При других мощностях наблюдается колебания lэксп в пределах 17 %.
Относительно основного вопроса о влиянии разности температур на переход воды с поверхности льда в песок. Замечаем, что небольшой градиент способствует увеличению скорости перехода по причине увеличения диффузии H2O от границы перехода. Увеличение же градиента приведет к увеличению градиента на границе перехода, что приведет к замедлению скорости перехода через границу лед-песок. Для окончательного ответа необходимо продолжение экспериментов.