Stable And Metastable State

مقدمه: گیبس در مقاله خود در سال 1873 به نام "روشی در توصیف هندسی خواص ترمودینامیکی مواد در سطوح" خلاصه ‌ای ابتدایی از قوانین معادله‌ی جدیدش را معرفی می‌کند که می‌تواند میل فرایندهای طبیعی مختلف را زمانی که اجسام یا سیستم‌ها در تماس قرار می‌گیرند، پیش بینی کند یا تخمین بزند.

با مطالعه واکنش‌های مواد همگن در تماس با هم، مانند اجسام، که در اجزای قسمتی جامد، قسمتی مایع و قسمتی بخار موجود هستند و همچنین با استفاده از نمودار 3بعدی حجم – آنتروپی – انرژی درونی، گیبس می‌توانست 3 حالت پایدار را مشخص کند، حالت پایدار، شبه پایدار و ناپایدار، خواه تغیراتی ایجاد می‌شد یا نمی‌شد. در 1876، گیبس بر اساس این چهارچوب مفهوم پتانسیل شیمیایی را معرفی کرد تا بتوان واکنش‌های شیمیایی و حالت‌های اجسامی را که از نظر شیمیایی متفاوت هستند را محاسبه کرد که در این جا ما به مفهوم  دو حالت پایدار وشبه پایدار می پردازیم.                                        ما می دانیم ذرات علاقه دارند که از پتانسیل شیمیایی بیشتر به پتانسیل شیمیایی کمتر منتقل شوند. به این دلیل، پتانسیل شیمیایی یک تعمیم از پتانسیل‌ها در فیزیک هست مانند پتانسیل گرانشی. مثلا وقتی یک توپ به سمت پایین یک تپه می‌غلتد، از پتانسیل گرانشی بالاتر (ارتفاع بالاتر) به سمت پتانسیل گرانشی پایین‌تر (ارتفاع پایین‌تر) در حرکت است. به همین ترتیب، همزمان با حرکت، واکنش، حل شدن و ... مولکول‌های  آن‌ها همواره بصورت طبیعی از پتانسیل شیمیایی بالاتر به مقدار پایین‌تر می‌روند.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

اگر  سیستم فیزیکی پیچیده ای پیش رو باشد که پتانسیل آن دارای مینیمم های بسیار باشد. فرض کنید شرایط اولیه ی سیستم  به دام افتادن  در یک مینیمم سطحی  است.  حال فرض کنید  مینیممی  نیمه-پایدار و سطحی دیگر در همان کناراست و یک مینیمم عمیق و پایدار اندکی دورتر. اصطکاک و اتلاف انرژی را هم لحاظ کنید. اگر انرژی اولیه ی سیستم را فقط اندکی بالا ببریم، سیستم از  یک مینیمم بیرون می آید و به دام مینیمم سطحی  دیگر می افتد. اما اگر انرژی نهایی به اندازه ی کافی بالا باشد از مینیمم دوم هم می گذرد و به نقطه پایدار پایدار می رسد. 

حال می خواهیم وارد مفهوم ترمودینامیکی  حالت پایدار (stable) و حالت شبه پایدار (Metastable) شویم و از کاربردهای آن حالت شبه پایدار بگوییم. 

     مطلب پیشنهادی (مواد تغییر فاز دهنده):

     تحلیل و طراحی سیستم گرمایشی ساختمان مسکونی با استفاده از ذخیره کننده های حرارتی PCM

 مفهوم ترمو دینامیکی حالت پایدار (Stable)

پایداری ترمودینامیکی هنگامی اتفاق می افتد که یک سیستم در پایین ترین حالت انرژی خود یا در پایدار شیمیایی با محیط اطراف باشد.این حالت ممکن است پایدار دینامیکی باشد در جاییکه اتم های انفرادی یا مولکولها تغییر فرم میدهند اما تعداد کلی آنها در یک فرم بخصوص پایستار می ماند. این نوع از پایدار شیمیایی ترمودینامیکی برای همیشه باقی می مانند مگر آنکه سیستم تغییر کند. سیستمهای شیمیایی ممکنست شامل تغییراتی در فاز ماده یا یک ست از عکس العمل های شیمیایی شوند. هنگام مراجعه به فاز پایدار در ترمودینامیک معمولا فازی را در نظر می‌گیریم که کمترین انرژی گیبس یا هلمهولتز را در شرایط معین‌ داشته باشد.

بنابراین برای پایدار ترمودینامیکی باید انرژی آزاد گیبس را تعریف کنیم.

انرژی آزاد گیبس کمیتی ترمودینامیکی است که میزان خودبه‌خود انجام شدن یک واکنش را نشان می‌دهد. این کمیت با G نمایش داده می‌شود. انجام یک فرآیند از لحاظ ترمودینامیکی هنگامی امکان‌پذیر است که تغییرات انرژی آزاد گیبس منفی باشد.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

این فرمول‌ها دربرگیرندهی دو عامل است که در انجام‌پذیری واکنش‌ها در طبیعت مؤثرند: آنتالپی ( انرژی سیستم) و آنتروپی (بی‌نظمی سیستم).

 انتالپی (H) تغییرات انرژی ضمن انجام واکنش را دربرمی‌گیرد. این تغییرات هم انرژی جنبشی راشامل می‌شود و هم انرژی پتانسیل را، به شرط آن که در حین انجام واکنش فشار وارد بر سیستم ثابت باشد.یک واکنش زمانی از نظر انرژی انجام‌پذیر تلقی می‌شود که بر اثر انجام آن انرژی سیستم کمتر شود. به عبارت بهتر سیستم پایدارتر شود. در این صورت تغییرات انتالپی منفی خواهد بود.

اما در اطراف ما بسیاری از واکنش‌ها اتفاق می‌افتند که در آن‌ها سیستم گرما می‌گیرد و انرژی آن افزایش می‌یابد، یعنی تغییرات انتالپی در آن‌ها مثبت است. این گونه واکنش‌ها به علت عامل دوم رخ می‌دهند که آنتروپی نامیده می‌شود و با S نشان داده می‌شود. این عامل نشان‌دهندهی  میزان بی‌نظمی سیستم است و زمانی مساعد است که انجام واکنش سبب زیادشدن بی‌نظمی در سیستم شود. در فرمول انرژی آزاد گیبس عامل S در T ضرب می‌شود که دمای مطلق (کلوین) گاز است، یعنی اثر عامل بی‌نظمی در دمای بالا بیشتر است.

پایدار زمانی برقرار است که انرژی آزاد گیبس حداقل باشد ، یعنی مقدار آن به صفر برسد. هر دو حالت پایدار و شبه پایدار در پایدار داخلی هستند زیرا می‌توانند تمام فضای فاز خود را پوشش دهند و خواص ترمودینامیکی برای حالتهای شبه پایدار همانند حالتهای پایدار بطور یکسان و بطور کامل تعریف می‌شوند. با این وجود، این محدودیت وجود دارد که چگونه می‌توانیم ناحیه شبه پایدار را با توجه به دما، فشار و ترکیب گسترش دهیم.

مفهوم ترمودینامیکی شبه پایدار(Metastable)

بطورکلی وضعیت شبه  پایدار یا  پایدار کم ثبات در سه حالت می تواند اتفاق بیفتد که عبارتند از: به هنگام عبور از فاز مایع به فاز بخار در اثر گرم شدن، هنگام گذر از فاز مایع به جامد دراثرسرد شدن و به هنگام حرکت بخار آب در داخل نازل های همگرا و واگرا و یا همگرا که قبل از بوجود آمدن فرآیند چگالش می تواند اتفاق بیفتد. البته حالتهای اول و دوم بسیار بیشتر از حالت سوم در طبیعت و صنایع مختلف دیده شده است و محصولات کاربردی حاصله از آن دو حالت زیاد می باشد البته انحرافات واغتشاشات که درباره آنها توضیح داده خواهد شد می تواند این وضعیت را به هم بزند ویا بطور کلی حتی این وضعیت را حذف کند و همچنین روابطی که بدست آمده نشان می دهد که درجه سوپرهیت مایع دارای یک مینیمم و یک ماکزیمم مقدار می باشد.

موضوع مورد بحث در ارتباط با پدیده شبه پایدار یا پایدار کم ثبات Meta stable، به مایعات سوپرکولد (Supercold) و مایعات سوپرهیت Superheat که در اثر این پدیده بوجود می آیند و برخی از کاربردهای موارد اشاره شده است.

دانشمندان و محققین علوم مکانیک وشیمی در طی سالیان متمادی بخصوص در نیمه دوم قرن بیستم با مطالعه بر روی تغییرات فازی و گذار از یک فازبه فاز دیگر بواسطه انتقال حرارت که اکثراٌ بواسطه فرآیندهای جوشش و چگالش که همراه با تولید حباب و تشکیل قطرات بوده، در فرآیندهای مختلف به وجود وضعیت شبه  پایدار در هنگام تغییر فاز از مایع به بخار و تغییر فاز از مایع به جامد پی بردند.

پدیده ذکر شده هم در فیزیک سایز میکرو و هم ماکرو در فرآیندهای مختلفی دیده شده است ویک ت ش قابل توجهی در بطور آهسته گرم شود و دمایش افزایش یابد و درضمن مایع مورد بدست آوردن ارتباط نتایج مطالعات صورت گرفته در این زمینه می باشد که البته بواسطه پیشرفتهایی که بوسیله تکنولوژیهای جدید درتجهیزات مختلف نظیراشعه ایکس، ترمومتری Infrared با سرعت زیاد، فرآیند تشدید مغناطیس هسته ( ) NMR پرتونگاری نوترون انتقال حرارت از طریق میکروتیوبها و .... تأییدی است بر نقش مهمی که این فرآیند درعلم فیزیک سایزهای مختلف (از میکرو تا ماکرو ) دارد .

همچنین برخی از دانشمندان با مطالعه بر روی فرآیندهای جوشش هستهای و جوشش فیلمی دریافتند که وضعیت شبه  پایدار و تشکیل مایع سوپرهیت همانطور که در شکل زیر نیز نشان داده شده است به هنگام تبدیل از وضعیت جوشش هسته ای پایدار به وضعیت جوشش فیلمی بوجود میآید که به آن نقطه شار گرمای اوج گفته میشود و بعد از عبور از این نقطه هر افزایش دما سبب کاهش شار گرما میشود.

محققین در فرآیندها وپدیده های مختلف طبیعی و غیر طبیعی از قبیل فرآیند پختن غذاهای غله ای به شیوه روزن رانی فرآیند Trigging یا انفجار، فرآیند سیستم گرمایش حلقوی درگردبادها یا ترنادوها، هنگام حرکت هواپیماها در مناطق سردسیر، حرکت بخار آب در داخل نازل همگرا و واگرا و..... توانستند حالت شبه  پایدار را مشاهده کنند .

حالت شبه پایدار همراه با سوپرهیت

بطور کلی هر مایع که در دمای با تر از نقطه جوش خودش تحت شرایطی بتواند بصورت مایع باقی بماند و به بخار تبدیل نشود به آن مایع سوپرهیت گفته میشود .همانطور که در دیاگرام T- P برای یک مایع سوپرهیت و شرایط شبه  پایدار در زیر   رسم شده است، در دیاگرام P-T در ابتدا مایع در وضعیتهای e و b میباشد و نقطه c وضعیت بخار خالص را نشان میدهد.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

اگر مایع  به طور آهسته گرم شود ودمایش افزایش یابد و در ضمن مایع موردنظر عاری ازهر گونه ناخالصیها بوده و سطوح تماس با مایع هم صاف باشد مایع میتواند در اثر گرم شدن به نقطه c برسد بدون آنکه جوشش اتفاق بیفتد. در نقطه d مایع سوپرهیت بوده و شرایط شبه  پایدار حکمفرما میباشد اگر در این شرایط اغتشاشاتی در سیستم وارد شود فوراً مایع شروع به جوشش نموده و حبابهای کروی تولید و مایع به بخار تبدیل می گردد و در نتیجه حالت g وسپس e را خواهیم داشت این اغتشاشات میتواند بوسیله زبری و یا حتی وارد کردن یک میله فلزی به داخل مایع و…ایجاد گردد به این عوامل اغتشاش Nucleic گفته میشود وعامل جوشش را هسته مرکزی اغتشاش نامند مایعات تحت شرایطهای مختلف دارای درجات سوپرهیت متفاوت میباشنددرجه سوپرهیت عبارتست از اخت ف درجه حرارت مایع بین یک درجه حرارت با و نقطه جوش مایع در فشار یکسان می باشد که در   شکل با اخت ف f و c همان درجه سوپرهیت میباشد .

در مورد دیاگرام P-V نیز که در زیر آمده است وضعیت بدین  صورت است وقتی مایع منبسط میگردد در آنسوی نقطه B و در  دمای ثابت فشار افزایش می یابد وقتی به نقطه D میرسیم حالت شبه  پایدار شروع میشود  در طول خط BC سیستم در  پایدار پایدار نمی باشد  بلکه در وضعیت  پایدار کمثبات میباشد اگر فشار کم باشد مایعی که در آنسوی نقطه C قرار دارد نمیتواند سوپرهیت گردد.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

هسته زایی (Nucleation)

هسته زایی فرآیندی است که به واسطه تشکیل هسته ها که منجر به تشکیل یک فاز جدید می شود می باشد و همانطور که قبلاً ذکر گردید انحرافات مختلفی می توانند این وضعیت را بوجود آورندو  بطور کلی دو نوع هسته زایی داریم: همگن  و نا همگن. هسته زایی همگن بوسیله حرارت متمرکز و نوسانات دانسیته در فاز مایع شبه تعادل می باشد چیزی که دسته مولکولها را به طرف بخار شدن هدایت می کنند مانند حالت انرژی. این دسته مولکولها مجدداً توسعه می یابند تا بحالت بخار بحران یا همان جوشش هسته ای برسند  هسته زایی ناهمگن وقتی بوجود م یآید که فاز مایع تماس پیدا کند با فازهای دیگر یا با بدنه خارجی، نظیر سطح حبابهای گازپائین فعالیت م یتواند بوسیله فعالیت کششی سطحی مایع کاهش و یا حتی حذف گردد. رابطه در هسته زایی ناهمگن σ با کشش سطحی (J) میزان هسته زایی  که درآن در یک سطح جامد در زیر آمده است.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

وجود یک سد انرژی برای متوقف کردن ایجاد هسته زایی بخاطر سطح مشترک مابین فازهای بخار و مایع میباشد. انرژی آزاد  مورد نیاز برای تشکیل یک حباب بخار کروی به شعاع r در یک مایع بوسیله Gibbs با استفاده از ترمودینامیک ک سیک بصورت زیر بدست می آید.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

محدودیت سوپرهیت

ممکن است پس از مرور کردن مباحث ذکر شده این سوال پیش آید که ماکزیمم درجه سوپرهیت که در یک مایع می تواند بدست آید چقدر است و یا چقدر درجه حرارت یک مایع م یتواند افزایش یابد بدون اینکه جوشش اتفاق بیفتد. یک محدودیت بالای تئوریکی از سوپرهیت دمای بحرانی مایع است. زمانیکه در درجه حرارت بالای نقطه جوش هستیم فاز مایع نم یتواند به مقدار زیادی بوجود آید اگر چه یک دمای ماکزیمم قابل دسترس وجود دارد برای یک مایع قبل از اینکه جوشش اتفاق بیفتد، که محدودیت سوپرهیت نام دارد. آن جالب است بدانیم که تا چه حد رسیدن به (Ts1) محدودیت بالای ترمودینامیکی امکان پذیر خواهد بود. محدودیت سوپرهیت م یتواند برآورده گردد بوسیله تئوری پایداری ترمودینامیکی یا آنالیز هایی که بواسطه دینامیک سایز بحرانی حبابهای بخار می باشد، این محدودیت با استفاده از معادله وندروال به صورت زیر قابل محاسبه است.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

بعضی از فرآیندهایی شامل پایداری کم ثبات همراه با سوپرهیت

فرآیندهایی زیادی امروزه در صنایع مختلف در جهان وجود دارد که پدیده شب هپایدار در آنها دیده شده است که در زیر نمونه هایی از این موارد ذکر شده است.

• روزن رانی

یکی از مواردی که پدیده شبه پایدار و هسته زایی در آنها دیده شده است فرآیند پختن یا گرم شدن غذاهای غله ای از قبیل انواع برنج و  ، نان، نانهای گندمی، جو، پف فیل تحت فرآیند روزن رانی که یک پدیده یا فرآیند نسبتاً پیچیده ای است که معمولاً در دمای بالا و در رطوبت کم اتفاق می افتد می باشد که همراه با انبساط و برجستگی در محصولات ایجاد شده است و متشکل از چندین فرآیند شامل دگرگونی ساختار بیوپلیمری، تغییر،(Extradite Swell) فاز، هسته زایی، انبساط همراه با برجستگی تولید حبابها که تقریباً بطور مپایداری در بوجود آوردن این پدیده شرکت دارند Kokini.وهمکارانش ( 1992 ) تقریباً فازهای مختلفی را که در آن روزن رانی را شامل می شود شناسائی نمودند که آن پدیده ها بطور خلاصه در شکل،  در زیر نشان داده شده است:که این مکانیزمها در پاراگراف قبل معرفی شدند و آن بدین صورت انجام می پذیرد که ابتدا نیروی برشی بالا همراه با فشار، درجه حرارت بالای داخل اکسترودر منجر به تغییر شکل آردهای غله ای به حالت ذوب و ویسکو الاستیک  (ذوبی که حالت پلاستیک مانند دارد) می شود.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

• فرآیند داخل موتورهای تزریق مستقیم گازوئیلی

این موتورها که با یک تکنولوژی جدیدی همراه است فرآیند داخل آن بر مبنای پاشش بنزین و فرآیند تبخیر در کمترین زمان ممکن است. دراین موتورها سوختی که تزریق خواهد شد می تواند قبل از تزریق بوسیله انتقال گرما از سرسیلندر و تزریق کننده  (injector   (گرم شود. بنزین گرم شده به آسانی می تواند به  فشاربخاری که بالاتر از فشار سیلندر است برسد در هنگامی که فرآیند تزریق سوخت انجام می پذیرد و در این حالت شرایط شبه پایدار حکمفرما است و سوخت به صورت سوپرهیت است، اگر این سوخت سوپرهیت با فشارکمی که درقسمت سیلندر موتور می باشد مواجه شود قسمتی از سوخت سریعا" به واسطه جوشش ناگهانی تبخیر می شود.

• فرآیند انفجار

یکی دیگر از مواردی که شرایط شبه پایدار مشاهده شده یا (Trigging) است شرایط مربوط به انفجار همراه با فرآیند تبخیر نظیر اکتان، اتانل pretensioner با استفاده از مایعات pretension و… می باشد. این پدیده یا این نوع انفجار در یک فشار منفی صورت می گیرد مایعات ذکر شده به محض رسیدن به یک وضعیت مناسبی از ناپایداری منجر شده و انرژی ذخیره شده شان آزاد می شود.

دانشمندان بر روی این پدیده و همچنین تعیین سرحدهای گسیختگی یا انفجار و مایعات قبل از pretension نتیجه رسید ه اند که ماکزیمم اندازه ممکن از شروع کاویتاسیون برای یک مایع به این منظور بطور مثال برای آب1400 bar و جیوه می تواند بسیار بزرگ به ترتیب در حدود  bar  170باشد. در این وضعیت مواد در حالت شرایط شبه پایدار هستند.

 در چنین حالتی که منجر به انفجار می گردد که همراه با فشارهای موضعی زیاد و درجه حرارت زیادی می باشد می تواند انرژی بسیار زیادی آزاد گردد که همراه با قابلیت تراکم بسیار بالا که می تواند باشد.. TNT حتی در حدود 15 برابر بیشتر از وضعیت نزدیک به حالت انفجاری همگن هنگامی است که بطور استاتیکی و ذاتاً دارای نوسانات بسیار شدیدی باشیم. وسایل ذخیره سازی انرژی در سیال با استفاده از چنین پدیده ای که همراه با شرایط پایداری است می تواند با استفاده از سانتریفوژهای گریز از مرکز که نمونه های از آن در شکل  در زیر نشان داده شده است باشد.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

• فرآیند سیستم گرمایش حلقوی

یکی دیگر از مواردی که می توان وضعیت پایداری کم ثبات همراه با مایع سوپرهیت را مشاهده نمود در سیستم گرمایش حلقوی می باشد. این سیستم همانطور که در شکل نشان داده شده است دارای یک اواپراتور می باشد که این اواپراتور دارای محفظه احتراق، هسته و شیارهای بخاری لوله پهن در وسط آن و یک سری فیتیله هایی می باشد که در سرتاسر دیواره داخل و محفظه احتراق وجود دارد و مزیت این سیستم بخاطر نیاز داشتن به انرژی ورودی وجود LHP کم برای شروع به کار است و عامل کار کردن سیستم اختلاف فشار در سرتاسر فیتله و در نتیجه وجود گرادیان دما در اطراف آن می باشد .اساس کار آن بطور خلاصه به این صورت می باشد که گرما از طریق محفظه احتراق اعمال می شود به دیوارهای اواپراتور و بنابراین آن اجازه م یدهد سیستم شروع به پمپ کردن کند و سپس در ادامه گرمایش، ایجاد بخار می شود که بخار از شیارهای بخاری خارج و درنتیجه مایع موجود در داخل لوله را گرم کند.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

• فرآیند داخل بعضی از ژنراتورهای میکرو قطره ای

یکی دیگر از مواردی که پدیده شبه پایدار مشاهده شده است نوعی از ژنراتورهای میکرو قطره ای است که برای تابش پلاسمایی بکار می رود .این ژنراتورها در حقیقت سایزکوچکی از ژنراتورهای قطره ای می باشد که موارد استفاده زیادی امروزه دارند که برخی استفاده های مهم این دستگاهها از قبیل پرینترهای جوهرافشان، دستگاههای رنگ افشان، دستگاههای  writing- direct   دستگاههای تزریق سوخت، صنایع بسته بندی، ، دستگاههای تابش پلاسمایی و غیره می باشد. اما در ارتباط با بحث پایداری کم ثبات ژنراتورهای میکرو قطره ای می باشد که برای تابش پلاسمائی با استفاده از ذرات بسیار ریز سرامیک صورت می گیرد که طرحواره آن در شکل زیر نشان داده شده است که در هنگام پاشش ذرات سرامیک تحت یک فرایند رو به بالا صورت م یگیرد پدیده شبه پایدار و همچنین تراکم شدیدی از نقصهای نقطه ای در آن بعضاً دیده شده است.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

بعضی از کاربردهای مایعات سوپرهیت

مایعات سوپرهیت امروزه استفاده های گوناگونی در علوم مختلف دارد که در زیر نمونه های از این موارد آمده است :

• تابش ذرات نوترون 

استفاده از مایعات سوپرهیت به منظور تابش ذرات نوترون صورت Glaser اولین بار توسط دانشمندی بنام گرفت ،اساس کار وی استفاده از یک محفظ های که اتاقک حباب بعداً نامگذاری شده بود وی با عبور دادن ذرات انرژی از داخل این محفظه و با کاهش فشار داخل محفظه و با استفاده از مایعاتی  نظیر R-12 و با گرم کردن محفظه و در نتیجه تبخیر نظیر مایع مذکور و ایجاد حبا بها توانست به این موفقیت نائل آید در ضمن لازم بذکر است که هنگامی که مایع در حالت تبدیل به بخار می باشد نیاز است که فشار محفظه ثابت نگه داشته شود.

• تابش ذرات گاما ویونهای سنگین

محققین در ادامه راه دانشمندانی که موفق به تابش ذرات نوترون با استفاده ازمایعات سوپرهیت شدند با استفاده از روشهای مشابه و مایعات سوپرهیت توانستند اشعات گاما را نیز بتابانند. بدین منظور با استفاده از مایع R-114 ، با درجه حرارت اولیه 50 درجه سانتیگراد دما و ادامه گرمایش تا 70 درجه سانتیگراد و تبدیل مایع به بخار و فرآیند هسته زایی این کار میسر شد.

• استفاده از مایعات سوپرهیت در داخل میکروتیوب ها

یکی دیگر ازموارد استفاده مایعات سوپرهیت در داخل میکروتیوب ها در دستگاههای مختلف از جمله مبادله کنهای فشرده گرما از نوع بدون استفاده از سطوح انبساط یافته می باشد. این میکروتیوب ها که قطر آنها عمولا" از سایز 0.6 تا 3 میلیمتر می باشد در این پروسه ضریب انتقال حرارت با افزایش کیفیت بخار و سوپرهیت شدن نزدیک دیواره کاهش می یابد

حالت پایداری کم ثبات همراه با سوپرکولد

آزمایشات نشان داده است که اگر آب را در داخل یک ظرف صیقلی بزرگ خنک کنیم آب به صفر درجه سانتیگراد م یرسد ولی هنوز در داخل یخ تشکیل شده آب وجود دارد اگر به این ظرف با انگشتان ضربه بسیار کوچکی بزنیم این ضربه حکم هسته زایی را دارد،  آب سریعاً یخ بسته و بلورهای یخ در سرتاسر محیط مورد نظر تشکیل می شود به این حالت درترمودینامیک مایع سوپرکولد گفته می شود.

بعضی از فرآیندهایی شامل حالت پایداری کم ثبات همراه با سوپرکولد فرآیندهایی امروزه در در جهان وجود دارد که پدیده شبه تعادل همراه با مایع سوپرکولد در آنها دیده شده است که در زیر نمونه هایی از این موارد ذکر شده است :

• حرکت هواپیماها در مناطق سردسیر

از مواردی که پدیده شبه تعادل همراه با مایع سوپرکولد دیده شده است هنگامی است که هواپیما و یا هر نوع وسیله پرنده دیگری در حال پرواز در قسمت نسبتاً سردسیری و از میان ابرها می باشد و دمای محیط بین 0 تا 10-  باشداست.در این هنگام قطرات آب بخصوص در برخورد با بالهای هوا به سرعت یخ زده و قطراتی نیز در این حالت تشکیل می شود که به آنها قطرات سوپرکولد گفته می شود و سایز این قطرات از رنج 30 تا400 میلی متر باشد کوچکتر از سایر قطرات باران بوده و بزرگتر از سایز قطرات ابری می باشد. مطالعات نشان داده است که یخ بستن قطرات باران و یا ابری در هوا نتیجه تغییرات که بواسطه افت انرژی است یا وقتی که هواپیما در شرایط جوی مذکور از باند بلند م یشود. به دلیل اینکه تغییرات درجه حرارت اتمسفر وابسته به پارامتر ارتفاع می باشداین شرایط یخ بستن فقط در یک لایه نسبت نازکی بوجود می آید.

• حرکت کشتی ها وزیردریایها در آبهای سرد ونزدیک قطبها

حالت مشابه با حالت قبلی که می تواند اتفاق بیفتد بواسطه حرکت زیر دریایی ها یا کشتی ها در آبهای سرد و قطبها می تواند اتفاق بیفتد که در این حالت به هنگام عبورکشتی ها بخصوص از میان یخها می تواند منجر به تشکیل پدیده شبه پایدار گردد.

• گردبادها وترنادوها 

یکی دیگر از حالتهایی که محققین نشانه ای از پدیده شبه پایدار را در آن مشاهده کرد ه اند در گردبادها یا ترنادوها می باشد بطوریکه یکی از محققین گردبادها را به بندرگاه مایعات سوپرکولد تشبیه کرده است.

کاربردهای مایعات سوپرکولد

Cryogen ها نیز همچون مایعات مایعات سوپرکولد ویا همان سوپرهیت امروزه استفاده های گوناگونی در علوم مختلف دارد که در زیر نمونه هایی از این موارد آمده است:

 سرد کردن تجهیزات آزمایشگاهی 

 یکی از کاربردهای مایعات سوپرکولد یا همان Cryogen استفاده از آنها برای سرد کردن در بعضی از تجهیزات در آزمایشگاه می باشد مدلهای شتاب دهنده مافوق هادی و مغناطیسهای experimental-area  کاربرد نخواهند داشت مگر اینکه توسط  مایعات سوپرکولد همچون مایع هلیم تا درجه حرارتهای برودتی سرد گردند.

• سرد کردن دستگاههای عکسبرداری

یکی دیگر از این موارد کاربرد مایعات سوپرکولد در دستگاهها و سیستمهای سردکننده ای است که برای سرد کردن دستگاههای عکسبرداری Near-Infrared Camera   and spectrometer  Multi-object و یا همان   NICMOS بکار می رود.

NICMOS دستگاهی است که شامل سه دوربین فیلمبرداری می باشد که از موضوعات بسیار عریض می توانند عکسبرداری کنند همچنین از مسافتهای طولانی نظیر ابرها و حتی ستارگان و سیارات و حتی از NICMOS  به عنوان یک اسپکترومتر، تاج نگار ویا قطب سنج  استفاده کرد.

 حالت پایداری کم ثبات و بخارفراسرد( Subcold)

فرض کنید یک نازل همگرا و واگرا داریم اگر بخار آب در داخل این نازل حرکت کند آنچه انتظار می رود اینست که در قسمت واگرا و مثلاً در در مقطع a شکل  زیر چگالش رخ دهد. اما آزمایشات نشان داده است که در مقطع a چگالش رخ نداده بلکه این چگالش در مقطع b  رخ می دهد

 در نزدیک  مقطع b وقتی اولین قطره چگالش می یابد سریعاً تمام مقطع شروع به چگالش می کند که به این حالت شوک چگالش یا Condition Shock گویند بنابراین در این حالت وجود اولین قطره حکم Nuclei را خواهد داشت که موجب  می گردد تمام مقطع سریعاً چگالش کند.

البته همانطور که قبلاً ذکر شد اغتشاشات  می تواند باعث از بین رفتن وضعیت هسته زایی و یا زودتر بوجود آمدن آن گردد که در این مورد هم اغتشاشاتی از قبیل زبری مابین قسمتهای b و a  همچنین تزریق قطره به بخار موجود در قسمت  a و b می تواند سبب رخ دادن سریعترچگالش گردد که اغتشاشات ذکر شده حکم  nuclei را دارند این حالت بخارفراسرد نیز نامیده می شود.

 فرآیند شامل پدیده شبه پایدار همراه با بخارفراسرد و کاربردهای آن 

یکی از مواردی که در آن پدیده شبه پایدار مشابه با وضعیتی که در قسمت های قبل بیان شد مشاهده شد متدی بود که در آن از نازل های همگرا و واگرا یا نازل های همگرا برای ایجاد وبرش قطرات مایع استفاده شد.

 در این متد با استفاده از یک نازل همگرا 6 درجه، با مساحت گلوگاه در حدود 4.45 مترمربع وبا یک سوزن در خروجی نازل با قطر0.04 میلی متر بود   و  قسمت داخلی نازل پلاستیکی بوده و درانتها یک پی پت از اپوکسی رزین شده ساخته شده است که در شکل زیر بصورت شماتیک نشان داده شده است.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

در این فرآیند مایع الکل از درون نازل جریان می یابد و سپس با عبور از سوزن به طرف تونل تست هدایت می شود و جریان هوا با سرعت نزدیک به سرعت صوت درقسمت بالای تونل تست عمودبر جریان مایع می دمد که این جریان هوا هم قطرات مایع تولیدی را برش داده و هم آنها رابه داخل تونل تست هدایت کند.

 وجود سرعتهای ناچیز در نوک سوزن سبب تولید قطراتی به قطر0.1 میلی متر می گردد که تعداد قطرات تولیدی می تواند در عدد ماخ 0.85 در نقطه ای که آنها وارد قسمت تونل تست می شود.

زمانی که قطره از قسمت خروجی نازل عبور نموده و سپس از داخل سوزن وارد تونل می شود در اثر جریان پائین دست پس از شوک در داخل شیپوره، نقطه جوش موضعی پائین می آید که متعاقب آن فشار موضعی کاهش می یابد. بنابراین پائین آمدن نقطه جوش موضعی مهمترین عامل سوپرهیت شدن و پدید آمدن شرایط شبه پایدار در این متد می باشد و موارد استفاده هایی که از این متد پیش بینی شده است استفاده از آن برای تنظیم فشار هوای داخل سفینه ها و هواپیماها می باشد.

با توجه به مطالعات و تحقیقاتی که تاکنون در مورد پدیده شبه پایدار و موارد ناشی از آن صورت گرفته است می توان نتایجیی که در زیر  می آید را برداشت نمود :

• فرآیندهایی که درآن پدیده شبه پایدار منجر به وضعیت شرایط سوپرهیت یا سوپرکولد شده، چه در طبیعت وچه در صنایع مختلف دیده شده است یا می تواند اتفاق بیفتد بسیار زیادتر از حالتی از این پدیده است که منجر به وضعیت بخار فراسرد شده است که تاکنون این وضعیت فقط در هنگام عبور بخار از نازلهای همگرا یا همگرا و واگرا دیده شده است.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

• در بعضی موارد و صنایع لازم است که شرایطی تعبیه گردد تا از بوجود آمدن شرایط سوپرهیت یا سوپرکولد عمدتاً به خاطر صرفه جوئی در زمان جلوگیری شود و در بعضی موارد هم بخاطر موارد کاربردی این موارد لازم است شرایطی  تعبیه گردد که این حالت تداوم داشته باشد .

منابع

1.مطالعه پدیده تعادل کم ثبات و Nucleation و کاربردهای این موارد(مهندس فرشید مردکاری 1؛ دکتر سیروس آقا نجفی 2)

[2] W.C.Reynoldes and H.C. Perkins , “Engineering thermodynamics”,. 2nded McGraw- Hill Book Co , NewYork 1977 

[3] E.Sonntag and G.J. Van Vailen , “Introduction to thermodynamics”, Classical and Statistical , 2nded, New York ,1982

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Metastability

[4] http://www.tulane.edu/~bmitche/book/thermo.html

 

مشخصات

توسط: سهیلا بیگدلی تاریخ درج: ۱۳۹۵/۷/۱۳ منبع: دیتاسرا

خرید آنلاین

عنوان: Stable And Metastable State حجم: 406.31 کیلوبایت قیمت: 89500 تومان رمز فایل (در صورت نیاز): www.datasara.com نرم افزارهای مورد نیاز: winrar - adobe acrobat - office

در صورتی که به هر دلیل از خرید خود رضایت نداشتید
تنها با ارسال یک ایمیل وجه خود را دریافت نمایید

تحلیل و طراحی سیستم گرمایشی ساختمان مسکونی با استفاده از ذخیره کننده های حرارتی PCM

 "پایان نامه مهندسی مکانیک مقطع کارشناسی ارشد - گرایش تبدیل انرژی" تحلیل و طراحی سیستم گرمایشی ساختمان مسکونی با استفاده از ذخیره­ کننده ­های حرارتی PCM   تهیه شده بصورت کاملا انحصاری توسط ... [ ادامه مطلب ]

قیمت: 449000 تومان

 مشخصات کلی: 

گروه: پایان نامه

مکانیک شکست (Fracture Mechanics)

مقدمه : یکی از عمده ‌ترین مسائلی که انسان از زمان ساختن ساده‌ترین ابزارها با آن مواجه بوده است پدیده شکست در اجسام می‌باشد و درواقع برای استفاده از مواد ... [ ادامه مطلب ]

قیمت: 99500 تومان

 مشخصات کلی: 

گروه: پایان نامه

مفهوم اگزرژی (Exergy)، کاربردهای اگزرژی در تحلیل سیستم، یک نمونه تحلیل اگزرژی

مفهوم اگزرژی و کاربرد‌های اگزرژی در تحلیل سیستم: زمانی که قانون اول ترمودینامیک به عنوان اصل بقای انرژی بیان می شود، با کمیت اشکال مختلف انرژی سروکار داریم. از دیدگاه ... [ ادامه مطلب ]

قیمت: 99500 تومان

 مشخصات کلی: 

صفحات متن ترجمه: 16

گروه: پایان نامه

Stable And Metastable State

مقدمه: گیبس در مقاله خود در سال 1873 به نام "روشی در توصیف هندسی خواص ترمودینامیکی مواد در سطوح" خلاصه ‌ای ابتدایی از قوانین معادله‌ی جدیدش را معرفی می‌کند که ... [ ادامه مطلب ]

قیمت: 89500 تومان

 مشخصات کلی: 

گروه: پایان نامه

مطالعه عددی ذوب کردن در داخل حلقه‌های افقی متحد المرکز و خارج از مرکز

چکیده: این مقاله، به بررسی عددی روی ذوب مواد تغییرفازدهنده با استفاده از N-eicosane  در داخل یک سیلندر استوانه‌ای می‌پردازد. شبیه سازی عددی برای ذوب مواد تغییرفازدهنده  بین دو استوانه در حالت‌های متحدالمرکز و خارج از مرکز با استفاده از نرم‌افزار فلوئنت که دمای اولیه‌ی آن C˚۱ است. استوانه‌ی داخلی، لوله‌ای با دیواره‌های داغ درنظر گرفته می‌شود در حالی‌که لوله‌ی ... [ ادامه مطلب ]

انرژی خورشیدی و کاربرد های آن در گرمایش،سرمایش و ذخیره سازی انرژی (فصل اول: انرژی خورشیدی)

خورشید منبع عظیم انرژی بلکه سرآغاز حیات و منشاء تمام انرژیهای دیگر است. در حدود ۶۰۰۰ میلیون سال از تولد این گوی آتشین می‌گذرد و در هر ثانیه ۲/۴ میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می‌شود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است. این کره نورانی را می‌توان به‌عنوان منبع عظیم انرژی ... [ ادامه مطلب ]

شبیه سازی عددی عملکرد حرارتی سیستم گرمایش از کف با مواد تغییر فاز محصور (PCM)

چکیده در مقاله حاضر، یک نوع از مواد تغییر فاز محصور گرمایش از کف آب گرم دما پایین و همچنین سیستم تابشی خورشیدی مورد بررسی یک ساختار ،PCM  قرار گرفته است . برای به دست آوردن بهترین عملکرد خواص جدید گرمایش ی طراحی گردیده که در آن لوله های انتقال حرارت در یک لایه محصور مواد تغییر فاز بدون بتن ریزی ... [ ادامه مطلب ]

دینامیک سیالات محاسباتی‎

فصل اول (معرفی CFD): برای حل جریان حول یک هندسه دلخواه از این روش ها استفاده می شود: روش تجربی، روش تحلیلی، روش عددی یا CFD هر یک از این روش ها کاربرد خاص خود را دارد و از مزایا و معایب خود برخوردار است.در روش تجربی از آزمایشگاه و تونل باد گرفته تا تست های واقعی پرواز استفاده می شود ... [ ادامه مطلب ]

اثبات ریاضی روابط پتانسیل شیمیایی

... [ ادامه مطلب ]

بررسی عددی اثر نرخ کرنش بر پیش بینی آسیب به کمک معیارحدشکل‌دهی دینامیکی در فرآیند شکل‌دهی ورق‌های فلزی با سرعت بالا

... [ ادامه مطلب ]

دستورالعمل طراحی و محاسبه سیستم روشنایی

 مجموعه دستورالعمل های ارائه شده در دیتاسرا شامل ضوابط و مراحل تحلیل و طراحی سازه های گوناگون صنعتی و بر اساس الزامات مندرج در آیین نامه های معتبر داخلی و ... [ ادامه مطلب ]

قیمت: 119500 تومان

 مشخصات کلی: 

صفحات متن اصلی: 30

گروه: دستورالعمل طراحی

فایل اکسل طراحی مخزن فلزی هوایی بر اساس آیین نامه AISC با در نظر گرفتن نیروی باد و زلرله

 فایل پیش رو اکسل طراحی مخزن فلزی هوایی می باشد که بر اساس آیین نامه AISC و با در نظر گرفتن نیروی باد و زلرله محاسبات را انجام داده و ... [ ادامه مطلب ]

قیمت: 79500 تومان

 مشخصات کلی: 

گروه: دستورالعمل طراحی

فایل اکسل طراحی براکت فلزی بر اساس آیین نامه AISC-ASD 9th, Appendix F

 براکت های فلزی عناصر کنسولی هستند که در ستون ها جهت ایجاد اتصال تیرها پیش بینی می شوند. فایل پیش رو اکسل طراحی براکت فلزی می باشد که بر اساس آیین ... [ ادامه مطلب ]

قیمت: 79500 تومان

 مشخصات کلی: 

گروه: دستورالعمل طراحی

فایل اکسل طراحی براکت بتنی بر اساس آیین نامه IBC 2018 - ACI 318,19 و CBC 01 - ACI 318,95

 براکت های بتنی عناصر کنسولی هستند که در ستون ها جهت ایجاد اتصال تیرها پیش بینی می شوند. فایل پیش رو اکسل طراحی براکت بتنی می باشد که بر اساس آیین ... [ ادامه مطلب ]

قیمت: 79500 تومان

 مشخصات کلی: 

گروه: دستورالعمل طراحی

فایل اکسل تحلیل اتصال برشی دارای خروج از مرکزیت برای گروه پیچ

 این برنامه ظرفیت برشی اتصال پیچ و مهره ای دارای خروج از مرکزیت برای گروه پیچ را محاسبه می کند، ابزاری مناسب برای طراحی صفحات gusset و اتصالات پیچ و ... [ ادامه مطلب ]

قیمت: 79500 تومان

 مشخصات کلی: 

گروه: دستورالعمل طراحی

فایل اکسل طراحی روسازی آسفالتی بر مبنای آیین نامه آشتو و استفاده از آزمایش ظرفیت باربری کالیفرنیا

 فایل پیش رو اکسل طراحی روسازی آسفالتی بر مبنای آیین نامه آشتو می باشد که با استفاده از نتایج آزمایش ظرفیت باربری کالیفرنیا CBR اطلاعات ورودی را تحلیل و نتایج را ... [ ادامه مطلب ]

قیمت: 79500 تومان

 مشخصات کلی: 

گروه: دستورالعمل طراحی

طراحی ابعاد و سازه شالوده های عمیق (شمع ها و پایه های عمیق) در خشکی

 مجموعه دستورالعمل های ارائه شده در دیتاسرا شامل ضوابط و مراحل تحلیل و طراحی سازه های گوناگون صنعتی و بر اساس الزامات مندرج در آیین نامه های معتبر داخلی و ... [ ادامه مطلب ]

قیمت: 119500 تومان

 مشخصات کلی: 

صفحات متن اصلی: 27

گروه: دستورالعمل طراحی

تحلیل غیرخطی و مدل سازی عددی تیر بتن مسلح تقویت شده با FRP توسط Finite Element Method

 "پایان نامه مهندسی عمران مقطع کارشناسی ارشد - گرایش سازه" تحلیل غیرخطی و مدل سازی عددی تیر بتن مسلح تقویت شده با FRP توسط Finite Element Method   مشخصات کلی: شامل فایلهای word و ... [ ادامه مطلب ]

قیمت: 129500 تومان

 مشخصات کلی: 

گروه: دستورالعمل طراحی

بررسی پارامترهای هندسی مهاربند زانویی

 "پروژه دانشجویی مهندسی عمران" بررسی پارامترهای هندسی مهاربند زانویی   مشخصات کلی: شامل فایلهای word و pdf بالغ بر 146 صفحه (4 فصل) فهرست مطالب فصل اول 1-1- مقدمه 1-2- شکل پذیری سازه ها 1-3- مفصل و لنگر پلاستیک 1-4- منحنی ... [ ادامه مطلب ]

قیمت: 129500 تومان

 مشخصات کلی: 

گروه: دستورالعمل طراحی

شناسایی و رتبه بندی دلایل انحراف از هزینه پیش بینی شده و ارائه راهکارهای کاهش آن: مطالعه موردی پروژه های "پتروشیمی الف"

  "پایان نامه مهندسی عمران مقطع کارشناسی ارشد - گرایش مهندسی و مدیریت ساخت"   شناسایی و رتبه بندی دلایل انحراف از هزینه پیش بینی شده و ارائه راهکارهای کاهش آن: مطالعه ... [ ادامه مطلب ]

قیمت: 259500 تومان

 مشخصات کلی: 

گروه: دستورالعمل طراحی