Текст уведомления здесь

Томский ученый выяснил, как кипят капли растворов

Ученый Томского политехнического университета показал, как происходит испарение водных растворов солей. Оказалось, что растворы солей испаряются совсем не так, как чистая вода, а в их испарении важную роль играет конвекция, что прежде не учитывалось.
Добавить в закладки
Комментарии

«Испарение воды регулирует теплообмен и в этом качестве используется, например, в биологии. Высококонцентрированные водные растворы соли применяются в химической промышленности и в энергетике, в абсорбционных тепловых насосах. При этом испарение многокомпонентных растворов, в том числе водных растворов солей, изучено слабо. Новые данные, полученные экспериментально, помогут скорректировать модели испарения и повысить эффективность технологических циклов в различных областях энергетики», — рассказал автор исследования, ведущий научный сотрудник кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов ТПУ Сергей Мисюра.

В процессе эксперимента ученый осаждал на рабочую поверхность капли воды и водных растворов солей — бромида лития, хлорида кальция и хлорида лития. Начальная температура капель была равна температуре окружающего воздуха, 21 °С, а испарение проводилось при нагреве стенки от 80 до 150 °С.

Оказалось, испарение капель раствора соли принципиально отличается от испарения капли воды при интенсивном пузырьковом кипении. Скорость испарения небольшой капли воды во времени более-менее постоянна. Капля солевого раствора ведет себя совсем не так. Во время кипения раствора меняется концентрация соли, и из-за этого процесс дробится на несколько временных отрезков, в каждом из которых меняется как скорость испарения, так и роль конвекции.

«Концентрация растворов постоянно изменялась, ведь вода испаряется, а соль остается. Эти изменения отражаются на геометрии самой капли и на физико-химических свойствах раствора. Колебания температуры внутри капли и на ее поверхности влияют на теплообмен между поверхностью стенки капли и воздухом.

Возникающее из-за конвекции движение воздуха ускоряет испарение капель с меняющейся концентрацией. Однако этим фактором, как и теплопереносом внутри самой капли, в теоретических моделях до сих пор пренебрегали как несущественным. Мы же показали, что таким образом предполагаемая скорость испарения может быть ошибочно занижена почти в десять раз», — сказал Мисюра.

Предсказание скорости испарения капель солевых растворов необходимо для разработки новых технологий струйной печати и покрытий, медицинской диагностики и охлаждения микроэлектроники.

Статья с исследованием опубликована в журнале Scientific Reports.

Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Создан эффективный композитный материал-пьезоэлектрик

Российские и немецкие ученые разработали уникальный композитный материал, который обладает одними из лучших на сегодняшний день пьезоэлектрическими свойствами.
Добавить в закладки
Комментарии

Материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, чрезвычайно востребованы и находят применение во многих сферах нашей жизни. Большинство людей сталкивалось с пьезоэлектриками лишь в быту, при использовании зажигалок. Но кроме этого пьезоэлектрические материалы широко применяются в современных электронных и технических устройствах. Среди них — акустические преобразователи, микроэлектромеханические системы, элементы памяти, инфракрасные датчики, тепловизоры, гибридные электрические транспортные средства, струйные принтеры, пьезотрансформаторы и устройства хранения энергии.

Все пьезоэлектрики работают по сходному принципу: электрический заряд появляется в момент сдавливания или растяжения материала. Это и называется пьезоэлектрическим эффектом. Один из самых распространенных пьезоэлектриков — цирконат-титанат свинца. Но с недавнего времени разработчики ищут эффективную замену этому материалу, так как он обладает плохой гибкостью и большой массой. А свинец в его составе к тому же представляет еще и экологическую проблему. Поэтому российские инженеры совместно с европейскими коллегами повели работу по разработке нового эффективного пьезоэлектрика с более гибкими свойствами.

За основу будущего пьезоэлектрика ученые взяли полимерные материалы, состоящие из винилиденфторида и трифторэтилена (ВДФ-ТрФЭ). Эти материалы, по словам ученых, имеют высокую степень кристалличности, что приводит к повышению их пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств. Чтобы добиться максимального улучшения пьезоэлектрических, диэлектрических и упругих свойств, разработчики смешали полимеры ВДФ-ТрФЭ с несколькими электроактивными наполнителями, такими как кристаллы триглицинсульфата, титанат бария, цирконат-титанат свинца, и рядом сегнетоэлектриков.

Важно было выявить локальные неоднородности, характерные для композитных материалов, так как они могут значительно влиять на их производительность. Зондирование таких неоднородностей было проведено с помощью сканирующей зондовой микроскопии на атомно-силовом микроскопе Университета Дуйсбурга-Эссена (Германия). [ ... ]

Читать полностью

Создан источник питания по принципу электрического угря

Американские ученые разработали принципиально новый искусственный источник питания, в основу которого были положены конструктивные особенности строения производящих электричество органов электрического угря.
Добавить в закладки
Комментарии

Электрический угорь — рыба из отряда гимнотообразных. Из-за своей уникальной особенности генерировать электричество она давно привлекает внимание ученых. Органы, вырабатывающие электричество, которое угорь использует для охоты и самозащиты, занимают больше половины тела угря. Сила разряда электрического тока у угря такова, что может парализовать даже такое крупное животное, как лошадь.

Как уже известно, электрический орган — очень сложное устройство, которое появлялось в ходе эволюции параллельно несколько раз у разных видов животных. И строение этих органов у всех носителей примерно одинаково. Они состоят из длинных и тонких клеток электроцитов, которые занимают 80% тела угря и сложены в аккуратные «стопки». На одной стороне электроцита расположены нервные окончания, переходящие в синапсы, на другой — ионные каналы. Под воздействием нервных импульсов на электроците генерируется небольшое напряжение, под воздействием которого ионы натрия проходят сквозь ионные каналы и накапливаются на одной стороне клетки. А движущиеся в обратную сторону ионы калия — на другой. Полученный в результате этого электрический потенциал накапливается в электроцитах, как в батареях, и в нужный момент угорь использует его для разряда.

Взяв это строение за основу, ученые разработали источник питания, в котором производство электроэнергии происходит на основе разности солености в пресной и морской воде. Ученые разделили два отсека с соленой и пресной водой мембраной из гидрогеля, которая проницаема для положительных ионов. В результате чего положительные ионы натрия устремлялись в «пресный» отсек, оставляя в своем отсеке отрицательно заряженные ионы (хлориды). В итоге происходило накопление электрического потенциала — созданная батарея может генерировать электрический ток в 110 вольт.

Теперь исследователи ищут способы улучшить созданную систему. В то время как электрический угорь может заряжать свои электрические органы, искусственная система требует внешнего тока для зарядки. Гидрогелевые мембраны также, по словам ученых, могут быть улучшены — с более тонкими мембранами этот источник питания может быть использован в медицине, в имплантатах, как кардиостимулятор. [ ... ]

Читать полностью

Найден новый необычный способ обнаруживать водород

В МИФИ создали прототип устройства, способного обнаружить водород без термохимических сенсоров. Эта новая технология может оказаться безопаснее и эффективнее всех предшествующих.
Добавить в закладки
Комментарии

Смесь водорода с воздухом дает опасную смесь — гремучий газ, производящий мощные взрывы. Именно он, например, считается виновником одного из двух взрывов на Чернобыльской АЭС. Чтобы предупреждать такие взрывы, нужны автоматически срабатывающие сенсоры о наличии водорода в обычном воздухе.

Обычно для этого применяют термохимические сенсоры. В них на поверхности платины в смеси воздуха и водорода протекает возгорание водорода, а горение разогревает платиновую поверхность. Сенсор реагирует на нагрев и сообщает о наличии опасного газа в воздухе. Но, во-первых, это не всегда безопасно (может инициировать взрыв), во-вторых, такие датчики не очень компактны. Авторы новой работы изучили возможности по обнаружению водорода у тонкопленочных металл-оксидных структур, создаваемых на монокристаллических подложках из карбида кремния.

Исследователи нанесли на пластину карбида кремния размерами 15 на 15 миллиметров и толщиной в 0,4 миллиметра две пленки. Первая из них — чувствительный к водороду слой оксида вольфрама в 200 нанометров толщиной. Вторая — платиновая, 10 нанометров толщиной. Ее задача — каталитическое ускорение химической реакции. На тыльной стороне этой второй пластины расположили токосъемный контакт. Нагреватель с исследуемым образцом разместили в камере из нержавеющей стали, где создали воздушно-водородную смесь с контролируемо изменяемой концентрацией водорода.

Между двумя сторонами образца, газочувствительной из оксида вольфрама и подложкой из карбида кремния возникал ток, который был тем сильнее, чем выше поднималась концентрация водорода. Подача водорода в камеру до концентрации в два процента вызывала 15-кратный рост силы сигнала. Это заметно выше отклика такой же газоанализирующей системы, работающей по традиционной схеме. При этом в эксперименте вновь созданная структура из оксида вольфрама и карбида кремния MOSiC функционировала без нанесения каталитического слоя из дорогостоящей платины. Также в отличие от обычного сенсора ей не требовался никакой источник питания. [ ... ]

Читать полностью