Молекулярный анализ понятия расклинивающего давления в двухфазных пористых системах

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Проведен анализ молекулярных двухфазных распределений внутри щелевидной и цилиндрических пор с однородными стенками в широком диапазоне давлений и температур, когда в ней находятся жидкость и пар. Стенки пор считаются недеформируемыми, они формируют внешнее поле для флюида. Состояние обеих фаз “жидкость в поре” и “пар в поре” удовлетворяют равенству химического потенциала с химическим потенциалом объемной фазы и между собой. Расчет распределений молекул проведен в рамках модели решеточного газа (МРГ) с простейшим парным потенциалом взаимодействия ближайших соседей. Распределение плотности молекул в неоднородном поле стенок пор связано с локальными распределениями двух видов давлений: изотермического, связанного с химическим потенциалом системы, и внутреннего механического давления (или давления расширения в терминах МРГ). Разность каждого из двух видов давлений с соответствующим давлением в объемной фазе определяет расклинивающее давление, которое активно используется при термодинамической интерпретации характеристик тонких прослоек в зависимости от их ширины. Теория позволяет учесть влияние потенциала взаимодействия адсорбент–адсорбат и его протяженности, отличие геометрии поры от исходной щелевидной формы, температуры, на значения расклинивающего давления. Молекулярная теория на базе МРГ позволила дать термодинамический анализ расклинивающего давления как характеристики ограниченных систем, отличающихся от макроскопических систем. Показано, что понятие расклинивающего давления в двухфазной системе может быть расширено на любые плотности флюида (от пара до жидкости) и на любые геометрии пор.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Е. С. Зайцева

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Author for correspondence.
Email: tovbinyk@mail.ru
Russian Federation, Москва

Ю. К. Товбин

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: tovbinyk@mail.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Дерягин В.Б., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М.: Наука, 1985. 400 с.
  2. Чураев В.Н. // Успехи химии. 2004. Т. 73. № 1. С. 26–38. (Churaev N.V. // Russian Chemical Reviews. 2004. V. 73. № 1. P. 25–36).
  3. Бойнович Л.Б. // Успехи химии. 2007. Т. 76. № 5. С. 510–528. (Boinovich L.B. // Russian Chemical Reviews. 2007. V. 76. № 5. P. 471–488).
  4. Gao J., Luedtke W.D., Landman U. // J. Phys. Chem. B. 1997. V. 101. № 20. P. 4013–4023.
  5. Мартынов Г.А. // Коллоидный журнал. 2000. Т. 62. № 3. С. 393–399.
  6. Бродская Е.Н., Захаров В.В., Лааксонен А. // Коллоидный журнал. 2002. Т. 64. № 5. С. 596–602.
  7. Зайцева Е.С., Товбин Ю.К. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2024. Т. 60. № 1. C. 3–13.
  8. Товбин Ю.К. Теория физико-химических процессов на границе газ – твердое тело. М.: Наука, 1990. (Tovbin Yu.K. Theory of physical chemistry processes at a gas – solid surface processes. Boca Raton, Fl: CRC Press, 1991).
  9. Товбин Ю.К. Молекулярная теория адсорбции в пористых телах. М.: Физматлит, 2012. 624 с. (Tovbin Yu.K. Molecular theory of adsorption in porous solids. Boca Raton, Fl: CRC Press, 2017).
  10. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984. 310 с. (Gregg S.J., Sing K.G.W. Adsorption, Surface Area, and Porosity. London: AcademicPress, 1982).
  11. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979. (Adamson A.W. Physical chemistry of surfaces. Third edition. New York–London–Sydney–Toronto: Wiley, 1975).
  12. Плаченов Т.Г., Колосенцев С.Д. Порометрия. Л.: Химия, 1988. 176 с.
  13. Lowell S., Shields J.E., Thomas M.A., Thommes M. V. 16. Springer Science & Business Media, 2012.
  14. Thommes M., Kaneko K., Neimark A.V., Olivier J.P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol J., Sing K.S. // Pure and applied chemistry. 2015. V. 87. P. 1051–1069.
  15. Товбин Ю.К. Малые системы и основы термодинамики. М.: Физматлит, 2018. 408 с. (Tovbin Yu.K. Small systems and fundamentals of thermodynamics. Boca Raton, Fl: CRC Press, 2019).
  16. Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика. Т. 1: Теория равновесных систем: Термодинамика. М.: Едиториал УРСС, 2002. 238 с.
  17. Хилл Т. Статистическая механика. М.: Изд-во иностр. лит., 1960. (Hill T.L. Statistical Mechanics. Principles and Selected Applications. N.Y.: McGraw–Hill Book Comp.Inc., 1956).
  18. Гиббс Дж.В. Термодинамика. Статистическая механика. М.: Наука, 1982. 584 c. (The collected works of J.W. Gibbs: In two volumes. V. 1. N.Y. etc.: Longmans, Green and Co., 1928).
  19. Товбин Ю.К. // ЖФХ, 2021. Т. 95. № 4. С. 483–507.
  20. Balbuena B., Berry D., Gubbins K.E. // J. Phys. Chem. 1993. V. 97. P. 937–943.
  21. Русанов А.И. Фазовые paвновесия и поверхностные явления. Л.: Химия, 1967. 387 с.
  22. Rusanov A.I., Brodskaya E.N. // Russian Chemical Reviews 2019. V. 88. № 8. P. 837–874.
  23. Товбин Ю.К. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2021. Т. 57. № 1. С. 3–18.
  24. Kolesnikov A., Budkov Yu.A., Gor G.Y. // Journal of Physics: Condensed Matter. 2022. V. 34 P. 063002.
  25. Кубо Р. Термодинамика. М.: Мир, 1970. 304 с. (Kubo R. Thermodynamics. North-Holland Publ. Company, Amsterdam: 1968).
  26. Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности. Долгопрудный: Издательский дом “Интеллект”, 2008. 568 с.
  27. Hill T.L. Thermodynamics of Small Systems. Part 1. New York–Amsterdam: W.A. Benjamin, Inc., Publ., 1963.
  28. Hill T.L. Thermodynamics of Small Systems. Part 2. New York–Amsterdam: W.A. Benjamin, Inc., Publ., 1964.
  29. Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения. М.: Изд-во иностр. лит., 1963. (Ono S., Kondo S. Molecular Theory of Surface Tension in Liquids. Berlin: Springer, 1960; Moscow: Inostr. Liter., 1963).
  30. Bakker G., Kapillaritat und Oberflachenspannung, Handbuch der Experimentalphysik. Bd. VI/ Hrsg. v. Wien W., Harms F. Leipzig, 1928.
  31. Gibbs J.W. // Trans. Connect. Acad. 1877–1878. V. 3. P. 343–524.
  32. Хейфец Л.И., Неймарк А.В. Многофазные процессы в пористых телах. М.: Химия, 1982. 320 с.
  33. Food E.A. // The structure and properties of porous materials. London. 1958. P. 151.
  34. Тимофеев Д.П. Кинетика адсорбции. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 252 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic diagram of node breakdown by type in a two-phase system in a pore of width H.

Download (54KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Argon adsorption isotherms in a slit-shaped pore with width H = 40 (1 and 3) and 100 (2 and 4) and pore wall potential Q = 0 (1 and 2) and 5 (3 and 4) (dimensionless values are plotted on both axes).

Download (94KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Adsorption isotherms in slit-shaped (curve 1) and cylindrical (curve 2) pores (dimensionless values are plotted along both axes).

Download (73KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Density and internal pressure profiles in a slit-like pore (explanations in the text) (densities and monolayer numbers are plotted in dimensionless values along the axes).

Download (227KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Density and internal pressure profiles in a slot-shaped pore of different widths H = 30 (curve 1), 100 (2), 103 (3), and 104 (4) at Q = 1.5 (densities and monolayer numbers are plotted along the axes in dimensionless values).

Download (185KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Density and internal pressure profiles in slit-shaped and cylindrical pores at H = 100 and Q = 1.5 (densities and monolayer numbers are plotted along the axes in dimensionless values).

Download (100KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Isotherms of wedging pressure in a slit-shaped pore (on the abscissa axis H is plotted in dimensionless units).

Download (207KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Isotherms of wedging pressure in slit-shaped and cylindrical pores (on the abscissa axis H is plotted in dimensionless units).

Download (72KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences