Утверждаю:
Проректор по учебной работе
В.П.Прокопьев
"___"_____________2003 г.
ПРОГРАММА КУРСА
Физика аэрозолей
Направление - 510400 (физика)
Специализация - Теплофизика и молекулярная физика
Семестр 9
Общее количество часов (трудоемкость)
- 108 час.
в т.ч.:
лекции
практические занятия
- 72 час.
- 36 час.
Контрольные мероприятия:
Экзамен (магистры), зачет (специалисты)
Разработчик программы: Береснев С.А., к.ф.-м.н., доцент КОМФ
2
Цель и задачи курса
Основная цель курса - ознакомить студентов специализации
"Теплофизика и молекулярная физика" с широким кругом физических
явлений и закономерностей, ответственных за поведение аэродисперсных
систем. Физику аэрозолей следует рассматривать как основную составную
часть междисциплинарного комплекса знаний, называемого наукой об
аэрозолях (Aerosol Science в англоязычной литературе). Освоение курса
базируется на знаниях, полученных студентами при изучении разделов
механики, термодинамики и статистической физики, гидрогазодинамики,
оптики, электродинамики, теплофизики и кинетической теории газов. Таким
образом, курс является непосредственной демонстрацией приложений и
связей знаний и навыков, получаемых студентами при изучении базовых
дисциплин специализации.
Задачами курса являются усвоение основных понятий и терминологии,
изучение основ теоретических и экспериментальных методов исследования
свойств аэрозолей, ознакомление с основными физико-математическими
моделями, применяемыми в физике аэродисперсных систем, понимание
роли аэрозолей в физике атмосферных явлений, знакомство с историей
развития данной науки. Курс, несомненно, должен способствовать
закреплению фундаментальных физических и математических знаний,
полученных студентами ранее.
Кроме того, он является базовым при изучении других спецкурсов,
предлагаемых магистрам и аспирантам кафедры, специализирующимся в
области физики аэрозолей.
3
Содержание лекционного курса
Введение.
Этапы развития науки об аэрозолях. Основная учебная литература по курсу.
1. Общая характеристика и классификации аэродисперсных систем.
Традиционные определения аэродисперсной системы, трудности в интуитивных
формулировках. Место аэрозолей среди дисперсных систем с точки зрения коллоидной
химии и статистической механики. Классифицирующие признаки для аэродисперсных
систем (классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы; классификация по
кинетическим свойствам дисперсной фазы - свободнодисперсные и связнодисперсные
системы; классификация по степени дисперсности; классификация по соотношению
внутренних структурных элементов; классификация по плотности дисперсной фазы;
классификация по способу образования аэрозолей; классификация по основным типам
аэрозолей - пыли, дымы, туманы). Незамкнутость системы классифицирующих признаков.
2. Морфологические свойства аэрозолей.
Форма и структура частиц. Первичные и вторичные аэрозоли. Форма первичных
частиц: изометрические, пластинчатые, волокнистые частицы. Фрактальная структура
вторичных частиц, их особые физические свойства. Вторичные аэрозоли как объемные
фрактальные кластеры. Модели образования и роста фрактальных кластеров. Размер
частиц. Диапазон характерных размеров аэрозольных частиц, классификация по степени
дисперсности, различия в физических свойствах. Нижняя граница размеров частиц.
Молекулярные кластеры как самые малые аэрозольные частицы. Верхняя граница
размеров аэрозолей, ее динамический критерий. Характерные размеры частиц сложной
формы и структуры. Совокупность характерных диаметров частиц, принципы введения
набора эквивалентных диаметров. Атмосферные аэрозоли: дисперсный состав и
классификация К. Уитби. Поверхностные свойства аэрозолей. Поверхностные явления
в аэрозолях. Удельная поверхность. Показатель дисперсности частиц.
3. Закономерности распределения частиц по размерам.
"Жизненный цикл" аэрозолей: образование, эволюция, разрушение аэродисперсных
систем. Аэрозоли как неустойчивая динамическая система. О возможности
универсального описания распределения по размерам для различных типов и классов
аэродисперсных систем. Функция распределения частиц по размерам. Первичные
данные о размерах частиц, полученные разными типами приборов; табличное
представление данных, графическое представление данных (гистограммы),
экспериментальные функции распределения. Математическое представление функции
распределения. Дифференциальные и интегральные функции распределения, условия
нормировки. Счетная и массовая функции распределения. Статистические параметры
распределения. Совокупность характерных средних диаметров (модальные и медианные),
дисперсия распределения, коэффициент асимметрии распределения. Теоретически
обоснованные (модельные) функции распределения. Распределение Юнге, физическое
обоснование, математический вид, обобщения, особенности распределения. Нормальное
распределение для монодисперсного аэрозоля. Источники частиц монодисперсного
аэрозоля. Физический критерий монодисперсности частиц. Математический вид
распределения, его параметры. Логарифмически-нормальное распределение. Физические
и математические соображения, ведущие к идее ЛНР. Результаты Колмогорова и Левина
для аэрозолей диспергационного и конденсационного происхождения. Математический
4
формализм. Соотношения Хэча-Чоута, область применимости. Гамма-распределение, его
свойства. Полуэмпирические и эмпирические функции распределения. Формулы
Гриффитса для порошковых материалов.
4. Образование аэрозолей.
Диспергационный и конденсационный способы образования аэрозолей, их общая
характеристика и принципиальные различия.
Диспергационный способ.
Диспергирование (распыление, атомизация) жидкостей. Методы распыления
жидкостей (пневматическое, гидравлическое, центробежное, прочие методы:
ультразвуковое, электростатическое, распыление с помощью пропеллентов). Рэлеевская
неустойчивость поверхности жидкости, ее проявления. Теория Кастльмена. Образование
морского атмосферного аэрозоля. Диспергирование твердых тел. Механическое
измельчение твердых тел. Природа и роль адгезионных сил. Распыление порошков.
Образование почвенного атмосферного аэрозоля, явление сальтации частиц.
Конденсационный способ.
Гомогенная конденсация пара. Пересыщение пара как необходимое условие гомогенной
конденсации. Степень пересыщения пара. Уравнение Кельвина (Томсона – Гиббса),
границы применимости. Модификации уравнения Кельвина. Термодинамический барьер
при образовании капель-зародышей жидкой фазы (термодинамическая теория Гиббса).
Критическое пересыщение, критический размер зародышей. Неустойчивость равновесия
между критическими зародышами жидкой фазы и пересыщенным паром. Классическая
феноменологическая теория спонтанной конденсации пересыщенного пара. Предпосылки
создания теории: термодинамические результаты Гиббса; термодинамические и
статистические результаты Фольмера и Вебера; результаты Беккера и Деринга;
кинетический подход Сцилларда и Фаркаша; теория гетерогенных флуктуаций Френкеля.
Кинетическое уравнение для скорости нуклеации Сцилларда и Фаркаша, упрощенная
форма этого уравнения для модели мономолекулярной конденсации. Приближенные
решения задачи. Общий вид выражения для скорости нуклеации в классической
феноменологической теории. Обсуждение полученного результата (предположения при
постановке задачи, границы применимости результатов). Современное состояние
вопроса.
Гетерогенная конденсация пара. Роль ядер конденсации. Их классификация.
Растворимые и нерастворимые, смешанные ядра. Ионы как ядра конденсации. Роль
процессов гетерогенной конденсации в цикле воды в атмосфере. Современное состояние
вопроса.
5. Механика аэрозолей.
Предмет и задачи механики аэрозолей. Основные теоретические методы механики
аэрозолей. Физико-математические модели, применяемые для описания аэродисперсных
систем. Приближение одиночной частицы в бесконечном объеме газа. Основные
безразмерные критерии подобия, возникающие при описании аэродисперсных систем:
число Кнудсена, число Маха, число Рейнольдса, число Стокса, число Брауна, число
Шмидта.
Прямолинейное равномерное движение частиц. Задача Стокса, формула Стокса для
силы сопротивления, основные допущения и предположения при ее выводе. Режимы
5
движения частицы в зависимости от числа Рейнольдса. Режимы движения частицы в
зависимости от числа Кнудсена.
Прямолинейное неравномерное движение частиц. Неравномерное движение при малых
числах Рейнольдса. Уравнение Буссинеска. Время механической релаксации частицы, его
физический смысл. Квазистационарное движение частицы. Неравномерное движение
частицы при больших числах Рейнольдса.
Силы, действующие на частицу в неоднородных газах. Классификация сил: внешние и
"внутренние", силы взаимодействия между частицами. Седиментация в гравитационном
поле. Использование центробежных сил. Аэрозольная центрифуга. Форетические явления
(термо-, фото-, диффузиофорез). Механизмы возникновения термофореза и фотофореза
частиц в различных по числу Кнудсена газокинетических режимах.
6. Испарение и конденсационный рост капель в парогазовой среде.
Квазистационарное испарение и рост капель, неподвижных по отношению к газовой
среде. Необходимые термодинамические условия для испарения или конденсационного
роста капель. Теория Максвелла (диффузионный режим испарения). Обоснование
применимости квазистационарного приближения. Формула Максвелла. Уравнение
Ленгмюра для времени испарения капли. Формула Герца-Кнудсена (кинетический режим
испарения). Результаты газокинетического анализа для произвольного по числам
Кнудсена режима испарения/конденсационного роста капель.
7. Броуновское движение и диффузия частиц.
Причины и характер броуновского движения аэрозольных частиц. Законы, описывающие
броуновскую диффузию частиц. Теория броуновского движения Эйнштейна: результаты
для среднего квадрата смещения частицы и коэффициента броуновской диффузии.
Броуновское вращение частицы. "Барометрическое" распределение аэрозольных частиц.
8. Коагуляция аэрозольных частиц.
Классификация типов коагуляции. Кинетика броуновской коагуляции. Теория
Смолуховского для моно- и полидисперсного аэрозоля. Скорость (константа) коагуляции.
Уравнение Смолуховского. Быстрая и медленная коагуляция. Ограничения теории
Смолуховского. Самосохраняющееся распределение аэрозольных частиц по размерам с
учетом действия броуновской коагуляции. Факторы, влияющие на скорость броуновской
коагуляции. Вынужденная коагуляция: кинематическая и ортокинетическая коагуляция.
Физические механизмы гравитационной, градиентной и турбулентной коагуляции.
Акустическая коагуляция: физические механизмы, зависимость скорости коагуляции от
частоты колебаний и величины звукового давления. Электрическая коагуляция:
физические механизмы, зависимость скорости коагуляции от величины заряда частицы и
напряженности электрического поля.
9. Электрические свойства аэрозолей.
Механизмы электризации аэрозолей. Силы, действующие на заряженную аэрозольную
частицу. Механизмы электризации аэрозолей: прямая ионизация частиц, статическая
электризация, электролитические эффекты, контактная электризация, электризация при
распылении жидкостей, электризация трением, ионизация в пламени, столкновения с
ионами или ионными кластерами. Механизм диффузионной зарядки частиц. Отсутствие
предельного заряда частицы по теории Уайта. Зарядка частиц в электрическом поле
6
(полевая зарядка). Механизмы и физические закономерности при полевой зарядке частиц.
Образование ионов в зоне коронного разряда, электрофильтры. Максимальная величина
заряда частиц.
10. Оптические свойства аэрозолей.
Основные оптические характеристики аэродисперсных систем. Взаимодействие
электромагнитного излучения с частицей: теория Лоренца-Ми. Коллективные оптические
свойства аэрозолей. Основы оптических методов анализа свойств аэрозолей, лазерный
мониторинг атмосферы.
11. Экспериментальные методы в физике аэрозолей.
Методы измерения счетной концентрации аэрозолей. Каскадные импакторы.
Центробежные сепараторы. Фотоэлектрические счетчики. Индукционный метод. Метод
диффузионных батарей. Конденсационные счетчики и укрупнители частиц. Генераторы
аэрозолей.
12. Биологическое действие аэрозолей.
Понятие о биоаэрозолях и их классификация. Источники частиц, оказывающих
биологическое воздействие. Общее биологическое действие аэрозолей. Действие
аэрозолей на дыхательную систему. Применение ингаляционных аэрозолей в медицине.
Биологическое действие радиоактивных аэрозолей: физические свойства радиоактивных
аэрозолей, источники радиоактивных аэрозолей, защита от них. Средства защиты от
биоаэрозолей: индивидуальные средства, коллективные методы защиты.
Заключение.
Современные проблемы физики аэрозолей.
7
Основная литература по курсу "Физика аэрозолей"
1. Райст П. Аэрозоли: введение в теорию. М.: Мир, 1987.
2. Белоусов В.В. Теоретические основы процессов газоочистки.
М.: Металлургия, 1988.
3. Швыдкий В.С., Ладыгичев М.Г., Швыдкий Д.В. Теоретические основы
очистки газов. М.: Машиностроение-1, 2001.
4. Грин Х., Лейн В. Аэрозоли - дымы, пыли и туманы. Л.: Химия, 1972.
5. Петрянов-Соколов И.В., Сутугин А.Г. Аэрозоли. М.: Наука, 1989.
6. Ивлев Л.С. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей.
Л.: Изд. ЛГУ, 1982.
7. Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем.
СПб.: НИИХ СПбГУ, 1999.
8. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И., Поздняков Д.В. Атмосферный
аэрозоль. Л.: Гидрометеоиздат, 1983.
9. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изд. АН СССР, 1955.