Homogeneous Nucleation in Selected Aqueous Systems

0045287 - ÚT 2007 CZ eng D - Dizertace
Němec, Tomáš
Homogeneous Nucleation in Selected Aqueous Systems.
[Homogenní nukleace ve vybraných směsích vody.]
Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague. 30.11.2006. - Praha, 2006. 66 s.
Grant CEP: GA ČR(CZ) GA101/05/2536; GA MŠMT(CZ) 1P05ME726; GA ČR(CZ) GA101/00/1282; GA ČR(CZ) GA101/02/0364
Výzkumný záměr: CEZ:AV0Z20760514
Klíčová slova: homogeneous binary nucleation * microscopic surface tension * nucleation work
Kód oboru RIV: BJ - Termodynamika

The Classical Nucleation Theory (CNT) with emphasis on multicomponent homogeneous gas-liquid nucleation processes is discussed in detail. The CNT is developed from scratch. The proper derivation of the nucleation work is performed and several variants of the nucleation work formula are presented, which differ in the way the vapor-liquid equilibrium is accounted for. The possibility to describe the vapor-liquid equilibrium by saturation pressures, or Henry constant, or partitioning constant substantially broadens the number of mixtures that can be studied, e.g. aqueous electrolytes. A general relation between the planar surface tension and the surface tension required by the CNT was derived. The CNT predictions for a wide set of binary mixtures are put to the test. The well-known discrepancies between the CNT predictions in the case of water--alcohol and water--sulfuric acid mixtures are reexamined. It is shown that the proper employment of the CNT can produce a close agreement with experimental nucleation rates. Other binary mixtures are studied as well. The atmospheric aerosol relevant mixture of water and ammonia helps to illustrate the consistency of the developed nucleation work formulas. The water--sodium chloride and water--sodium hydroxide mixtures are investigated due to their effects during steam turbine operation. It is shown that with careful treatment the CNT presents a solid theoretical base for the predictions of nucleation processes even in highly nonideal binary systems.

Předkládaná disertační práce se zabývá tzv. klasickou teorií nukleace (CNT), která je použita k popisu nukleačních dějů ve vícesložkových plynných směsích. Je podán ucelený teoretický přehled CNT. Nejdříve jsou odvozeny vztahy pro tzv. nukleační práci. Odvození je provedeno dostatečně obecně, aby bylo možné popsat širokou třídu směsí. Různé varianty vztahu pro nukleační práci se liší ve způsobu, jakým je postihnuta fázová rovnováha dané směsi. Je možné využít experimentálních dat tlaku sytých par daných složek směsi nebo měření Henryho konstanty nebo tzv. partiční konstanty. Tímto způsobem je možné popisovat i např. elektrolytické systémy. V rámci CNT je odvozen obecný vztah mezi rovinným povrchovým napětím a povrchovým napětím mikroskopické kapky, který se ukazuje jako velmi důležitá součást CNT. Na základě CNT byly provedeny výpočty nukleačních rychlostí pro širokou třídu binárních systémů založených na vodě. Směsi voda--alkohol a voda--kyselina sírová jsou zkoumány z důvodu dřívějších rozporů mezi předpovědí nukleační teorie a experimentálně měřenými nukleačními rychlostmi. Ovšem naše výpočty založené na přezkoumané CNT vykazují uspokojivý souhlas s experimenty. Dále je zkoumána směs voda--amoniak, která hraje určitou roli při formování aerosolů v atmosféře. Tato směs byla použita pro srovnání různých vyjádření nukleační práce. Dále jsou zkoumány směsi vztahující se k tzv. předčasné kondenzaci v parních turbínách, tj. voda--chlorid sodný a voda--hydroxid sodný. Klasická teorie nukleace je vyhodnocena jako propracovaná termodynamická teorie, která je vhodná pro předpovídání nukleačních dějů v reálných vícesložkových systémech.
Trvalý link: http://hdl.handle.net/11104/0137854