Мезоскопічна метастабільна рідина в конгруентній пара-рідинній діаграмі аргону (огляд ФТ-моделі)

Автор(и)

  • В.Б. Роганков
  • М.В. Швець
  • О.В. Роганков

DOI:

https://doi.org/10.18524/0367-1631.2021.59.227112

Ключові слова:

мезоскопічна рідина, гетерогенна інтерфаза, границі метастабільності

Анотація

Традиційне об’єднання понять класичної метастбільності і некласичної скейлінгової критичної області в рамках єдиного рівняння стану з середньо-польовою, т. зв. Ендрю - ван-дер-Ваальсівською, критичною точкою повинне бути піддане додатковому аналізу. Його метою є встановлення реалістичної розшарованої структури мезоскопічної рідкої фази. Вона, імовірно, існує в широкому інтервалі температур, локалізованих між майже нульовою і бойлівською точками Р,Т-діаграми. Запропоновано альтернативне прийня-тому обґрунтування наявності безперервних кросоверних границь діаграми. Вони розділяють окремі структурні підобласті. Район гетерогенної рідкої фази, який покриває глобально весь такий інтервал, доречно назвати не-гіббсівською фазою. Це пояснюється її дискретною гетерогенно-інтерфазною структурою і не вимагає посилань на явище спінодального розпаду. Відповідна область метастабільного розшарування утворена трьома підобластями: 1)  надкритичною; 2) підкритичною і 3) сублімаційної конденсованої фази для формально нестисливої рідини. Остання визначена одночасною фіксацією двох екстенсивних масштабів об’єму і числа частинок. Її розташування на конгруентній пара-рідинній діаграмі обмежене введеною новою границею флуктуаційної метастабільності, а також відомою Зено-лінією. Таким чином, всі підобласті включають область м’якого флюїду з переважанням міжчастинкового притягання. Решта конгруентної діаграми відповідає газовій і твердій підобластям (кристалічної або аморфної фаз) в твердому флюїді по класифікації, запропонованій Бен Амоцем і Хершбахом.

Посилання

Lienhard J.H., Shamsundar N.and Biney P.O. Spinodal lines and equations of state: a review // Nucl.Eng. and Design. –1986. – Vol. 95. P. 297-314.

Shamsundar N. and Lienhard J.H. Equations of state and spinodal lines - a review // Nucl.Eng. and Design. – 1983. – Vol. 141. – P. 269-287.

Corty D.S. and Debenedetty P.G. A computational study of metastability in vapor-liquid equilibrium // Chem.Eng.Sci. – 1994. – Vol. 49. – P. 2717-2734.

Kido A., Kitao O. and Nakanishi K. Can the “van der Waals loop” vanish? // Chem.Phys.Lett. – 1992. – Vol. 199. – P. 403-407.

Rogankov V.B. Fluctuational-thermodynamic interpretation of small angle X-ray scattering experiments in supercritical fluids // Fluid Phase Equilibria. – 2014. – Vol. 383. – P. 115-125.

Rogankov O.V., Rogankov V.B. Can the Boyle and critical parameters be unambi-guously correlated for polar and associating fluids, liquid metals, ionic liquids? // Fluid Phase Equilibria. – 2017. – Vol. 434. – P. 200-210.

Rogankov V.B., Fedyanin V.K. Fluctuational theory of media with essential spatial-temporal inhomogeneity // Theor. and Math. Phys. – 1993. – Vol. 97, №1. – P. 1-21.

Rogankov V.B., Boshkov L.Z. Gibbs solution of the van der Waals-Maxwell problem and universality of the liquid-gas coexistence curve // Phys.Chem.Chem.Phys. – 2002. – Vol. 4. – P. 873-878.

Rogankov V.B., Levchenko V.I. Global asymmetry of fluids and local singularity in the diameter of the coexistence curve // Phys.Rev.E – 2013. – Vol. 87. – P.052141.

Johnson J.K., Zollweg J.A., Gubbins K.E. The Lennard-Jones equation of state revisited // Mol.Phys. – 1993. – Vol. 78 (3). – P. 591-618.

Filippov L.P. Methods of Calculation and Prediction for Thermophysical Properties, – Moscow Univ. Publ., 1988.

Sterbaček Z., Biskup B., Tausk P. Calculation of Properties using Corresponding-States Methods. – Elsevier Science Publishing Company, Amsterdam, Oxford, New-York, 1979.

D.Ben-Amotz and D.R.Herschbach Correlation of Zeno (Z=1) line for supercritical fluids with vapor-liquid rectilinear diameters // Israel J. of Chemistry (online). – 1996. – Vol.30(1-2).

Apfelbaum E.M., Vorob’ev V.S., Martynov G.A. Universal triangle of states for liquid and vapor // Russ.J.Struct.Chem. – 2006. – Vol.47. – P. 113-121.

Kulinskii V.L. The critical compressibility factor value. Associative fluids and liquid alkali metals // J.Chem.Phys. – 2014. – Vol. 141. – P. 054503.

Estrada-Torres R., Iglesias-Silva G.A., Ramos-Estrada M., Hall K.R. Boyle temperatures for pure substances // Fluid Phase Equil. – 2007. – Vol. 258. –P. 148-154.

Gilgen R., Kleinrahm R., Wagner W. Measurment and correlation of the (pressure, density, temperature) relation of argon: I The homogeneous gas and liquid regions in the thermodynamic range from 90 K to 340 K at pressures up to 12 MPa // J.Chem.Thermodyn. – 1994. – Vol. 26. – P. 383-398; II Saturated liquid and saturated-vapor densities and vapor pressures along the entire coexistence curve, ibid. – 1994. – Vol. 26. – P. 399-413.

Stewart R.B., Jacobsen R.T. Thermodynamic properties of saturated argon // J.Phys.-Chem.Ref.Data. – 1989. – Vol. 18. – P. 679-683.

Umirzakov I.H. The method to define critical volume of one-component substance using Boyle temperature and critical pressure // Butlerov Communications. – 2015. – Vol. 44. – P. 118-121..

Lotfi A., Vrabec J., Fischer J. Vapour liquid equilibria of the Lennard-Jones fluid from NPT plus test particle method // Mol.Phys. – 1992. – Vol. 76. – P. 1319-1333.

Hill T.L. Thermodynamics of Small Systems. – Dover Publ. Inc., New York, 1994.

Stanley H.E. Introduction to Phase Transition and Critical Phenomena. – Clarendon Press, Oxford, 1971.

Balescu, R. Equilibrium and Nonequilibrium Statistical Mechanics. – Eds. J.Willey&Sons, New York-London-Sydney-Toronto, 1975.

Widom B. Some topics in theory of fluids // J.Chem.Phys. – 1963. – Vol. 39. – P. 2808-2813.

Wyczalkowska A.K., Sengers J.V., Anisimov M.A. Critical fluctuations and the equation of state of van der Waals // Physica A334. – 2004. – P.482.

Wang J., Anisimov M.A. Nature of vapor-liquid asymmetry in fluid criticality // Phys.Rev. – 2007. – Vol. E75. – P. 051107.

White J.A., Zhang S. Renormalization group theory for fluids // J.Chem.Phys. – 1993. – Vol. 99. – P. 2012-2019.

Zhao W., Wu L., Wang L., Li L., Cai J. Critical asymmetry in renormalization group theory for fluids // J.Chem.Phys. – 2013. – Vol. 138. – P. 234502.

Wang L., Zhao W., Wu L., Li L., Cai J. Improved renormalization group theory for critical asymmetry of fluids // J.Chem.Phys. – 2013. – Vol. 139. – P. 124103.

Fisher M.E., Zinn S.-Y. The shape of the van der Waals loop and universal critical amplitude ratios // J.Phys. A Math.Gen. – 1998. – Vol. 31. – P. L629-L635.

Fedyanin V.K., Rogankov V.B. Scaling equation of the thermodynamical surface of a fluid. I Close vicinity of the equilibrium state // Phys.Lett. A160– 1991. – Vol.3.

Rowlinson J.S. Liquids and Liquid Mixtures. – London, Batherworths Sci. Publ., 1959. – 360 p.

Rowlinson J.S., Widom B. Molecular Theory of Capillarity. – London, Oxford Uni-versity Press, 1982.

Rowlinson J.S. van der Waals revisited // Chem.Brit. – 1980. – Vol. 16. – P. 32-35.

Penrose O., Lebiwitz J.L. Towards a rigorous molecular theory of metastability// Fluctuation Phenomena (edited by E.Montroll and J.Lebowitz). Chapt. 5, North-Holland, Amsterdam, 1987.

Skripov V.P. Metastable Liquids. – Wiley, New York, 1974.

Rogankov V.B. Asymmetry of heterophase fluctuations in nucleation theory // Nucleation Theory and Applications (edited by J.W.P.Schmelzer, G.Röpke and V.B.Priezjev) Chapt. 22, Dubna, JINR, 2011.

Mazur V.A., Rogankov V.B. A novel concept of symmetry in the model of fluctua-tional thermodynamics // J.Mol.Liq. – 2003. – Vol. 105/2-3. – P. 165-177.

Rogankov V.B., Byutner O.G., Bedrova T.A., Vasiltsova T.V. Local phase diagram of binary mixtures in the near-critical region of solvent // J.Mol.Liq. – 2006. – Vol. 127. – P. 53-59.

Rogankov V.B. Equation of state for ionic liquids // High Temperatures. – 2009. – Vol. 47. – P. 656-663.

Rogankov V.B., Levchenko V.I., Kornienko Y.K. Fluctuational equation of state and hypothetical phase diagram of superheated water and two imidazolium-based ionic liquids // J.Mol.Liq. – 2009. – Vol. 148, №1. – P. 18-23.

Rogankov V.B., Levchenko V.I. Towards the equation of state for neutral (C2H4), polar (H2O), and ionic ([bmim][Bf4], [bmim][Pf6], [pmmim][Tf2N]) liquids // Journal of Thermodynamics. – Volume 2014, Article ID 496835, 15 pages.

Rogankov V.B. Scaling model of low-temperature transport properties for molecular and ionic liquids // Journal of Termodynamics, Volume 2015, Article ID 208486, 11 pages.

Huang Y.-H., O'Connell J.P. Corresponding states correlation for the volumetric properties of compressed liquids and liquid mixtures // Fluid Phase Equil. –1987. – Vol. 37. – P. 75-84.

White J.A. Volumetric properties of fluids calculated by Renormalization Group theory // Proceedings of the Twelfth Symposium on Thermophysical Properties, Boulder, Colorado, USA, 1994.

Semenchenko V.K. Selected chapters of theoretical physics. – Education Publ., M., 1966.

Woodcock L.V. Observation of a thermodynamic liquid-gas critical coexistence line and supercritical fluid phase bounds from percolation transition loci // Fluid Phase Equilibria. – 2013. – Vol. 351. – P. 25-33.

Woodcock L.V. Gibbs density surface of water and steam: 2nd debate on the absence of van der Waals’ “Critical point” // Natural Science. – 2014. – Vol. 6. – P. 411-432.

Griffiths R.B., Wheeler J.C. Critical points in multicomponent systems // Phys.Rev. A2. – 1970. – P. 1047-1063.

W.F. van Gunsteren, H.C.Berendsen Computer simulation of molecular dynamics: methodology, applications, and perspectives in chemistry // An-gew.Chem.Int.Ed.Engl. – 1990. – Vol. 29. – P. 992-1023.

Bernal J.D. The structure of liquids // Proceedings of the Royal Society (London). – 1962. – A280. – P. 299-322.

Widom B.J. Phase Transitions and Critical Phenomena. – Eds. C.Domb and M.S.Green, Phase Transitions and Critical Phenomena, v.2, Academ. Press, Wal-tham.

Simeoni G.G., Bryk T., Gorelli F.A., Krisch M., Ruocco G., Santoro M., Scopigno T. The Widom line as the crossover between liquid-like and gas-like behavior.

Brazhkin V.V, Fomin Y.D., Lyapin A.G., Ryzhov V.N., Tsiok E.N. Widom line for the liquid-gas transition in Lennard-Jones system // J. Phys. Chem. – 2011. – B115. – P. 14112-14115.

Brazhkin V.V., Fomin Y.D., Lyapin A.G., Ryzhov V.N., Trachenko K. Two liquid states of matter: a dynamic line on a phase diagram // Physical Review E85. – 2012. – P. 031203.

Nishikawa K, Morita T. Fluid behavior at supercritical states studied by small-angle X-ray scattering // J. of Supercritical Fluids. – 1998. – Vol. 13. – P. 143–148.

Arai A.A., Morita T., Nishikawa K. Investigation of structural fluctuation of supercritical benzene by small-angle X-ray scattering // J. Chem. Phys. – 2003. – Vol. 119. – P. 1502–1509.

Nishikawa K., Kusano K., Arai A.A. Density fluctuation of a van der Waals fluid in supercritical state // J. Chem. Phys. – 2003. – Vol. 118. P. 1341–1346.

Ma T., Wang S. Third-order gas-liquid phase transition and the nature of Andrews critical point // AIP Advances. – 2011. – Vol. 1. – P. 042101.

Hoover W.G., Stell G., Goldmark E., Degani G.D. Generalized van der Waals equation of state // J.Chem.Phys. – 1975. – Vol. 63. – P. 5434-5438.

Hagen M.H.J., Frenkel D. Determination of phase diagram for the hard-core attractive Yukawa system // J.Chem.Phys. – 1994. – Vol. 101. – P. 4093-4097.

W.F. van Gunsteren, H.C.Berendsen Computer simulation of molecular dynamics: methodology, applications, and perspectives in chemistry // An-gew.Chem.Int.Ed.Engl. – 1990. – Vol. 29. –P. 992-1023.

Panagiotopoulos A.Z. Molecular Simulations of Phase Equilibria // Supercritical Fluids. / Eds. E.Kiran, J.M.H. Levelt-Sengers, Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 411-437, 1994.

B.Smit, Ph. de Smedt and D.Frenkel Computer simulations in the Gibbs ensemble // Mol.Phys. – 1989. – Vol. 68. – P. 931-950.

Hirschfelder J.O., Curtiss C.F., Bird B.B. Molecular Theory of Gases and Liquids. – J.Wiley and Sons, N.Y., 1954.

Vargaftik N.B. Handbook of physical properties of liquids and gases. – Hemisphere, Washington, 1983.

Pitzer K.S. Some Interesting Properties of Vapor-Liquid or Liquid-Liquid Coexis-tence Curves for Ionic and Non-Ionic Fluids // Thermochimica Acta. – 1989. – Vol. 139. – P. 25-32.

Rogankov O.V. Shvets M.V., Kalinchak V.V., Sergeeva A.E., Rogankov V.B., Lev-chenko V.I. Elongate coexistence curve and its curvilinear diameter as factors of global fluid asymmetry // Physics of Aerodisperse Systems. – 2017. – № 54, С. 8-29.

Rogankov V.B., Shvets M.V., Rogankov O.V., Chikunkova T.A. Supercritical heterogeneous nanostructure of fluids 1. Diagram of fluctuation transitions in non-gibbsian phases // Physics of Aerodisperse Systems. – 2019. – №56. – С. 14-29.

Rogankov V.B., Shvets M.V., Rogankov O.V., Chikunkova T.A. Supercritical heterogeneous nanostructure of fluids 2. Its potential impact on creation of coupled stirlings with intermediate regeneration of heat // Physics of Aerodisperse Systems. – 2019. – №56. – С. 30-48.

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-03-26

Номер

Розділ

Теплофізика дисперсних систем