Учёные МГУ математически описали схлопывание пузырьков в углеводородных жидкостях

Учёные МГУ имени М.В.Ломоносова составили уравнения, которые описывают состояние ценных в промышленности химических соединений (бензола, тетрадекана и их аналогов) при сверхвысоких давлениях и температурах. Результаты работы опубликованы в журнале High Temperature.

При высоких температурах и давлениях испарение и конденсация жидкости усиливаются. Это сопровождается кавитацией (от английского «cavity» - полость) - образованием и схлопыванием пузырьков вакуума в жидкости. Похожий процесс заставляет хрустеть суставы. Учёные исследовали подобный процесс в бензоле и тетрадекане, а также в их дейтериевых аналогах, в которых водород заменен дейтерием, имеющим в ядре не только протон, но и нейтрон.

Кавитация может быть вредна, так как вызывает эрозию материалов (чаще всего - насосов или гребных винтов), приводит к снижению эффективности и износу механизмов. Однако её можно использовать в промышленности, например, в очистке углеводородного топлива или для перераспределения его фракций. Существуют даже специальные кавитационные устройства для получения более однородных водно-мазутных и водно-топливных эмульсий и смесей. Таким образом, образование пузырьков в веществах можно использовать в утилитарных целях. В случае с такими веществами, как бензол, тетрадекан и их производными, речь идёт о получении большего количества тепла, которое можно преобразовать в энергию.

«В связи с этим возникает необходимость построения достаточно простых уравнений состояния в широком диапазоне изменения давлений и температур с учётом тепло- и массообмена между жидкой и газовой фазами в околокритических состояниях, а также в условиях сверхвысоких давлений и температур, включая диссоциацию и ионизацию», - комментирует соавтор статьи Роберт Нигматулин, академик РАН, научный руководитель Института океанологии РАН, заведующий кафедрой газовой и волновой динамики механико-математического факультета МГУ, профессор Сколковского института науки и технологий.

Ученые создали методику, позволившую им построить аналитические уравнения состояния бензола и тетрадекана в жидком и газовом состояниях в широком диапазоне давлений. Исследователи взяли за основу автомобильную теорию Томаса-Ферми, согласно которой вещество рассматривается как нечто состоящее из ядер и электронов, а не электронов и ионов. Эта модель помогает описать состояние тел при сильном сжатии и высокой температуре, поскольку рассматривает взаимодействие между «ячейками» из электронов и ядер только как силы отталкивания и «тепловое» давление.

«Полученные уравнения состояния учитывают поведение вещества на линии насыщения, в окрестности критической точки, согласуются с экспериментальными данными по ударной сжимаемости, а также описывают процессы диссоциации и ионизации, происходящие при сверхвысоких сжатиях и температурах с учётом теоретических представлений», - поясняет Нигматулин.

Исследования проведено совместно с Институтом океанологии имени П.П. Ширшова РАН и Институтом механики имени Р.Р. Мавлютова Уфимского научного центра РАН.