Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

1 1
1

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:

bezse252.wmf, (1)

где l – коэффициент теплопроводности, S – площадь сечения песка, U – термоэдс термопары, измеряющей разность температур, h – толщина слоя песка и a – коэффициент термоэдс.

bez4.tiff

Рис. 1

bez5.tiff

Рис. 2

bez6.tiff

Рис. 3

bez7.tiff

Рис. 4

На рис. 3 представлена зависимость, наблюдаемая lэксп от мощности подогрева. Тот факт, что bezse253.wmf 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

bezse254.wmf (2)

и определяет перенос тепла

bezse255.wmf.

Это эквивалентно

bezse256.wmf.

Это приводит к тому, что bezse257.wmf. Полученная зависимость

bezse258.wmf

представлена на рис. 4. Общая наблюдаемая тенденция определяет убывание lэксп от bezse259.wmf. При этом самые большие значения bezse260.wmf 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.