Фазовые переходы в веществе с точки зрения строения атомного ядра по СТГ

Вода - это феноменальный объект нашего окружения, чудесные свойства которого мы все знаем, но не замечаем их Чудесности.

Вода – самая распространённая жидкость вокруг нас, она составляет большую часть нашего организма и является основой жизни всей нашей планеты.

Удивительными в воде является её огромная теплоёмкость в сравнении с другими веществами.

Также уникальной является её огромная энергия парообразования в сравнении с другими сходными по составу веществами. (см.рис.1)

Рис.1. Теплота испарения различных веществ.

 

Третьим фактором является тот широкий температурный диапазон существования жидкой фазы воды в кислородно-азотной атмосфере, который позволяет сохранять наиболее комфортные для живых существ условия обитания на планете Земля.(см.рис.2.)

Рис.2. Тепло-физические свойство воды.

 

Именно сочетание этих трёх факторов привело к той климатической благодати на планете, где мы смогли зародится, выжить и развиться до разумного состояния в крупных особях с чудовищно сложной внутренней организацией организма.

Ближайший аналог воды по химической формуле и теплоте парообразования – это Нитрид водорода NH3 или Аммиак.

Вот толко аммиавк- это глубоко криогенный газ,  кипящий при минус-33С, и замерзающий при минус-77С (см.рис.3.)

Рис.3. Тепло-физические свойство аммиака.

 

С такими  уникальными тепло-физическими свойствами аммиак нашёл своё применение в холодильно-морозильной технике, работая в холодильном цикле в  качестве хладагента с низкой температурой конденсации и большой теплотой фазового перехода.

 

Энергия парообразования воды

Для начала разберёмся с теплоёмкостью и энергией парообразования.

Существует устоявшееся объяснение процесса парообразования, согласно которому для выхода одной молекулы из массива жидкой фазы (или даже из твёрдой фазы – льда) окружающие молекулы передают одной молекуле некие порции энергии, и за счёт мгновенного синхронного приобретения этих порций энергии молекула выстреливает в атмосферу со скоростью пули из пистолета.

 Ведь согласно молекулярно-кинетической теории газов (МКТ) скорость молекул воздуха при +20С составляет около 500м/с, а для более лёгкой воды эта скорость и вовсе будет в районе 700м/с.

Такая «стрельба» молекулами при испарении воды особенно странно выглядит, если оценить её численно.

Теплота парообразования воды равна Епар=2400кДж/кг.

Если приравнят Епар=Екин, то  это соответствует скорости при  комнатной температуре.

V=(2400000*2)^0,5=2190м/с

Эта энергия в 6 раз больше, чем  энергия трёхатомного газа по МКТ для воды  с молярной массой 18г/моль. (см.рис.4.)

Рис.4.  Внутренняя энергия газа по МКТ.

 

Для водяных паров  при +20С по МКТ  внутренняя энергия составит 7,3кДж/моль:

Емол=3RТ= 3*8,31*293= 7304Дж/моль

Что при  молярной массе Н2О  Mr= 18г/моль.=0,018кг/моль даст удельную энергию Евн=406кДж/кг:

Евнутр= Емол/ Mr=7304/0,018=405777Дж/кг=406кДж/кг

То есть  внутренняя  энергия пара по МКТ вмещает в 6 раз  меньше, чем  только одна  теплота парообразования:

2400/406=6 раз

И где же газообразная вода  прячет эти лишние 5 кратные довески внутренней энергии на конденсацию?

 

Уравнение Ван-дер-Ваальса для реального газа

Существующие уравнения состояния идеального газа PV=nRT (закон Менделеева - Клапейрона) хорошо описывает газы при невысоких давлениях (нормальные условия) и высоких температурах.

Но при высоких давлениях газа  и низкой температуре (высокая плотность газа) закон начинает сбоить.

Также данный идеальный закон не позволяет описать переходы ни в жидкое, ни в твёрдое состояние.

Урвнение Ван-дер-Ваальса пытается скорректировать несоответствия газового закона реальности, для чего вводит дополнительные множители, подгоняя теоретическую кривую под экспериментально полученную зависимость. (см.рис.5.а-в.)

Рис.5. Несколько картинок из интернета про Уравнение  Ван-дер-Ваальса для реального  газа функционирующего на одновременно действующих  силах притяжения и отталкивания между молекулами газа с учётом твёрдого объёма самих молекул газа. В каждой картинке есть что-то особенно важное, чего нет на других.

 

В уравнении Ван-дер-Ваальса атомы имеют собственный объём, при этом взаимодействуют атомы газа силами отталкивания и притяжения, что уже противоречит «общепринятой» МКТ.

Современное признание собственного объёма у молекул газа означает,  что происходит скрытый отказ от модели атома Резерфорда-Бора, так как в уравнении Ван-дер-Ваальса атом представлен твёрдым шариком, заполняющим весь объём в его внешних границах.

При этом в уравнении Ван-дер-Ваальса качественно не объясняется природа взаимодействия атомов-шариков, оставляя для наших современников  объяснения на уровне невесомых статистических электронных оболочек над малюсеньким ядрышком, как оно и положено по модели Резерфорда-Бора.

Для снятия этих внутренних противоречий используется «Статическая (неподвижно-упругая) модель  газа» (СТГ), где крупные и твёрдые молекулы газа висят в пространстве практически неподвижно, отталкиваясь от ближайших  молекул газа или твёрдого вещества  некими центральными силами магнитно-электростатической природы. (см.рис.6-8.)

Рис.6. Схема действия сил внутри атома и между отдельными атомами. (а)-магнитное поле отдельного нуклона, (б) -магнитное поле у сложенных в кольцо шести нуклонов замкнуто на соседние нуклоны, магнитное поле нуклонов за пределы кольца не выходит, (в) – полное электростатическое поле отталкивание (одноатомный газ) от односторонне направленных диполей внутри нуклонов, (г)- неполное электростатическое поле отталкивания отдельного атома двухатомного газа , (д) – сцепка в двухатомный газ двух атомов с неполными электростатическими коронами.

Рис.7.  Схематическое изображение пограничной зоны контакта разных фаз Жидкость-Газ (Вода-Воздух) в случае «Статической Теории существования Газа» (СТГ): а.-Газ при давлении 1 атм. над жидкой водой (расстояние между центрами молекул приблизительно в 10 раз больше, чем в жидкой фазе); б.-Тот же газ над водой при той же температуре, но при давлении 10 атм., при этом расстояние между центрами молекул газа сокращается в 10^1/3=2,15 раз. Отчётливо видно деформацию соприкасающихся монополярных электрических корон атомов газа при сближении молекул. Силовые линии не могут пересекаться, а потому вынуждены деформироваться, занимая меньший объём, что и приводит к росту сил взаимного отталкивания (рост давления газа).

Рис.8. Модель зоны контакта газ по СТГ ( «ромашки» полей отталкивания  заменены на круги «индивидуального объёма») с границей из твёрдого вещества  или жидкости при давлении около 1атм: А.- Вариант с отсутствием касания атома газа твёрдой или жидкой поверхности (отталкивание газа действует и от плотных веществ); Б.- Вариант с «влипанием» первого слоя газа в плотную границу другого вещества, где взаимодействия происходит путём твёрдого контакта  молекулы газа  и плотного вещества (нет отталкивания газа от конденсированного вещества).

Подробнее о сути модели этого атома  и газа по  СТГ изложено в отдельной статье.

https://habr.com/ru/articles/440848/

 

Процессы конденсации и парообразования по СТГ

Привычная  со школы модель газа по МКТ, где молекулы  газа скачут подобно «безумным бильярдным шарам» на скоростях ружейной пули, не может ответить на вопрос о механизме конденсации и парообразования.

Но для модели газа по СТГ вполне возможно описать процессы испарения-конденсации, то есть перехода  жидкости в газ и обратно.

Это  фазовые превращения следуют  непосредственно из структуры атомов по СТГ.

В случае предлагаемой модели СТГ появляется возможность рассматривать понятную статическую модель газа, где каждый элемент модели имеет понятное физическое воплощение и физический смысл.

Электростатическое  отталкивание одноимённо заряженных поверхностей атомов –это понятный механизм статического удержания молекул от контакта.

Магнитное притяжение имеет свойство насыщения, поэтому график функции не имеет ухода в бесконечность даже при непосредственном контакте атомов, что позволяет склеивать атомы сравнительно небольшими «химическими связями».

Поэтому Магнитное притяжение всегда найдёт точку равновесия с Электростатическим отталкиванием на крутом гиперболическом склоне Электростатической характеристики.

На графике ниже отражены силы притяжения и отталкивания между атомов вещества по СТГ при различных температурах (см.рис.9.)

Рис.9.Граф.1. Графики действующих сил Магнитного межатомного притяжения (а) и Сил электростатического отталкивания при разных температурах: в твёрдом веществе (б), при Т плавления (в), при расплавленном жидком состоянии (г) с межатомным зазором (г’’), критическая температура равновесия пар-жидкость (д) с касанием кривых отталкивания и притяжением в точке (д’’), перегретый пар (е). Ось R- расстояние между поверхностями внешних границ ближайших контактирующих атомов.

 

Понятно, что в реальности не бывает никаких бесконечно больших сил, а есть некий предел максимальных значений.

В нашем графике по СТГ вертикальная ось легко пересекает графики сил, так как в качестве параметра R по горизонтали используется расстояния между наружным поверхностями твёрдых атомов, а не расстояние до их недосягаемых геометрических центров

Так силы притяжения атомов можно оценить прямым замером прочности на разрыв в монокристалле вещества.

Ну, а конечность сил электростатического взаимодействия определяется фиксированной энергией при аннигиляции электрона с позитроном.

Уравнение Ван-дер-Ваальса рисует на графиках очень похожую на СТГ картину, но не объясняет физический смысл сил притяжения и отталкивания.

 

Жидкое состояние вещества по СТГ

Жидкое состояние вещества по СТГ – это момент, когда при нагреве уже начался разворот электростатических диполей на отталкивание, но это отталкивание ещё не способно разорвать связь магнитного притяжения атомов.

В результате возникает между атомами небольшой зазор (г” на графике Граф.1 и Граф.2), приводящий к резкому возрастанию взаимной подвижности атомов на слое электро-магнитной «смазки».

Рис.10 . Граф.2. Пересечение графиков сил магнитного притяжения (а) и электростатического отталкивания (г) для жидкой воды. Е вых- площадь между кривыми притяжения и отталкивании равна работе отрыва молекулы воды от остальной жидкости. Е поля газа- энергия работы поля отталкивания при расширении до удельного молярного объёма на одну молекулу.

 

Поверхностное натяжение.

 Граница раздела «жидкость-газ» характеризуется тем, что наружный слой молекул жидкости имеет не скомпенсированную тянущую силу, направленную внутрь жидкости.

Эта сила направлена для наружных атомов жидкости внутрь слоя и перпендикулярно поверхности раздела «жидкость-газ».

Именно эта сила сворачивает каплю в шар в состоянии невесомости.

При попытке приподнять одну молекулу над общим горизонтом жидкости эта одинокая молекула будет немедленно втянута назад появившимися вертикальными составляющими от некомпенсированных по кругу сил магнитного притяжения. (см.рис.11.)

 

Рис.11. Силы поверхностного натяжения в жидкости, где линии между шариками молекул показывают связи с фиксированной длиной. Препятствующие изменению расстояния между молекулами: А- в спокойном состоянии, Б- при попытке отрыва одной молекулы от поверхности, В- попытка вдавить инородное несмачиваемое тело в жидкость.

 

При утоплении одной наружной молекулы ниже общего уровня поверхности возникнут дополнительные некомпенсированные силы вверх от соседних по горизонтали молекул наружного слоя.

Эта взаимная стабилизация в напряжённую горизонтальную линию у внешнего слоя молекул жидкости называется – поверхностным натяжением .

Ровно такое же объяснение даётся и сейчас в физике, но только никто не объясняет природу притяжения между молекулами в жидкости.

Из самой модели магнито-электрического баланса сил магнитного притяжения и электрического отталкивания из графика (граф.1) следует, что сила поверхностного натяжения уменьшается с ростом температуры и исчезает совсем при критической температуре системы «жидкость-пар» (точка Д на граф.1).

 Данные модельные теоретические предположения всецело подтверждаются экспериментальными данными для воды.

Сила поверхностного натяжения и расчёт прочности единичной молекулярной связи жидкой воды.

Теперь попытаемся провести расчёт некоторых числовых параметров «Поверхностного натяжения» чтобы получить представление о величине силы взаимодействия единичной связи между молекулами жидкой воды.

Величина поверхностного натяжения воды по справочнику составляет Fнат=73*10^-3 Н/м.

Из этой величины можно вычислить силу единичной связи молекулы воды с другими молекулами, так как вся сила поверхностного натяжения создана слоем воды толщиной всего в один ряд молекул.

Для начала нужно определить длину одной молекулы для воды.

Для этого нужен объём одного моля воды 18г=18см3 и число Авогадро Nа.

Таким образом, сможем определить размер молекулы воды, а за тем, умножив величину поверхностного натяжения на длину одной молекулы, получим силу связи одной пары молекул при разрыве.

Моль вещества содержит число Авогадро молекул Na=6,02*10^23.

Один моль воды равен 18г, или 18см.куб.=18*10^-6м

Единичный объём одной молекулы воды составит

V1м=(18*10^-6) / (6,02*10^23)=3*10^-29 м.куб.

Длина одной молекулы составит кубический корень из молекулярного объёма

L1м= 3,1*10^-10м=0,3нм (три нанометра)

Что означает эта цифра?

Это значит, что можно получит количество молекул в одном погонном метре единичной цепочки молекул жидкой воды.

Nм=1 /(3*10^-10)=0,033*10^10= 33*10^8

Теперь можно получить силу отрыва одной молекулы от воды

F1отр= Fнат/ Nм=(73*10^-3)/( 33*10^8)=2,21*10^-11Н

Цифра слишком мала, чтобы понять её смысл на человеческом масштабе.

Для лучшего понимания порядка цифр в силе единичной связи молекул воды  можно получить прочность воды на отрыв слоя 1м.кв.

Ротр= Fнат* Nм=(73*10^-3)*( 33*10^8)=2409*10^5Па=241*10^6Па=241МПа

Это уже более понятная величина, и она очень велика.

Например, она  равна пределу текучести для  обычной  конструкционной Стали 20 около 240МПа, а  для высокопрочной  стали с прочностью на разрыв 950 МПа максимальная  прочность всего в 4 раз выше, чем у воды на разрыв (см.рис.12.)

Тем не менее, мы легко можем сдвигать молекулы воды послойно без разрыва связей, что и определяет низкое сопротивление  плаванию по воде и текучесть воды по трубам.

Рис.12. Прочность конструкционных сталей различных марок.

Прочность воды на разрыв  и энергия испарения

Теперь сравним прочность связей в воде с энергией парообразования воды.

Из сравнения прочности связей воды и энергии парообразования (для воды 2,4Мдж/кг) можно оценить долю энергии разрыва связи при испарении:

(2,4МДж/кг)/ 24МПа=0,1м

То есть слой воды толщиной 1мм на площади 1м.кв. имеет массу 1кг и его можно испарить с приложением энергии 2,4МДж/кг, при этом ту же энергию надо приложить при растяжении этого слоя воды на 100мм или в 100 раз при максимальной силе разрыва связей.

Даже разделив 100мм на три по трём осям, то всё равно растяжение в 33 раза  выглядит нереалистично.

Понятно, что нет речи о возможности растяжения слоя воды ни в 100 раз, ни в 33 раза, так как вода вообще считается «не растяжимой жидкостью».

Если же считать жидкие связи «короткими», то есть исчезающими на длине сильно меньшими, чем  размер самого атома, то энергия распада слоя воды на миллионы микрокапель окажется во много раз меньше, чем энергия конденсации.

Учитывая известные нам свойства воды: «не сжимаемость» и «не растяжимость», - можно предположить, что полученная цифра отлично вписывается в ранее описанную мной модель ядерных взаимодействий.

Испарения, как двухактный процесс:

1.Малоэнергетичный выход молекулы из жидкости при разрыве коротких связей в локальной потенциальной яме электро-магнитных сил.

2. Разогрев «холодной» молекулы воды за счёт интенсивного теплообмена с покинутым массивом воды при совершении работы отталкивания газа за счёт электростатических сил.

Энергия парообразования

Энергия парообразования-  это энергия необходимая для выхода молекулы из жидкой фазы в газообразную среду и установления температурно-объёмного равновесия с газовым окружением. Энергию парообразования делится на две неравные части:

а) Работу выхода.

б) Энергию разворачивания электростатического поля отталкивания в газовой фазе.

Работа выхода- это работа по преодолению сил притяжения молекул в жидкости до момента установления равенства сил притяжения и сил отталкивания. То есть сила механического отрыва «поверхностного натяжения» посчитанная ранее.

На графике (см.граф.2) это маленькая петля со сплошной штриховкой под графиком А над графиком Г, правее расстояния зазора Г``.

Работа выхода совсем невелика, и она может состоять из результата суммирования тепловых колебаний соседних молекул, когда их случайное совпадение по фазе даёт суммирование энергий на одной молекуле с энергией выше энергии выхода.

Малая величина энергии выхода с поверхности жидкости хорошо объясняется подвижностью воды (любой жидкости) и лёгкостью её дробления на мельчайшие капли.

После совершения работы выхода и отрыва молекулы от поверхности воды, эта молекула ещё не получает ту гигантскую энергию парообразования в 2,4МДж/кг, а становится очень «холодной» молекулой газа , оказавшись на некотором отрыве от водяного слоя.

У «холодной молекулы»  ещё нет энергии для тысячекратного раскрытия своего электростатического поля до нужных  размеров по объёму, равному «молярному объёму газа 22,4л/моль при стандартных условиях.

Такая «молодая и холодная» молекула пара начинает интенсивный теплообмен с окружающими молекулами.

Так как ближе всего оказывается слой тёплой воды с объёмной теплоёмкостью в 3500 раз большей чем у воздуха, и с теплопроводностью в 25 раз большей чем у воздуха, то естественным будет отбор подавляющей части «энергии парообразования» именно у слоя воды,  только что покинутого молекулой.

При этом отношение «Энергии парообразования (догрева)» к теплоёмкости воды составляет 2400/4,19= 570 кратное.

То есть одна вылетевшая молекула воды способна охладить на дТ= 1С около 570 ближайших к ней молекул жидкой воды при своём последующем подогреве до равновесной с газом температуры (см.рис.13.)

Рис.13.  Вид пограничной зоны «воздух- вода-лёд», где молекулы представлены в масштабе с реальным занимаемым объёмом.

 На картинке видны слои разного состава:

- в верхнем слое разреженного воздуха красным отмечены атомы парообразной воды среди черных атомов воздуха  с концентрацией 1:200 по объёму, что соответствует 5 г/м3 при влажности 100% и Т=+0С,

-ряды белых мелких кружочков – жидкая вода,

-синие полосы внизу- это ряды замёрзших атомов льда,

-жёлтые кружочки на границе «вода-лёд» - это редкие акты перехода «вода-лёд» (плавление льда).

Полукруглые зоны с градиентной окраской- это полусферические зоны  распределения  тепла  в воде: красно-голубой полукруг - при конденсации молекул пара из воздуха (стрелки потока тепла наружу),

желто-синий полукруг -  плавления  молекул льда на границе льда  со слоем жидкой воды со слабо плюсовой температурой (стрелки потоков тепла внутрь к молекуле).

Картинка взята из статьи про скользкость льда

https://habr.com/ru/articles/777938/

 Этот процесс выхолаживания ближайшей воды на подогрев недавно испарённой молекулы протекает очень быстро, но не мгновенно.

Процесс теплообмена  идёт на слоях с толщинами молекулярного уровня, которые определяют вполне конечную скорость теплообмена при имеющихся конечных значениях теплопроводности воды.

Таким образом, можно рассчитать скорость возможного испарения воды с поверхности, ограничив её скоростью передачи тепла в объёме воды за счёт теплопроводности.

И только после полного разогрева молекулы пара до равновесной температуры (объёма) с окружающим воздухом, молекула пара способна всплывать сквозь слои воздуха и диффундировать в различные направления, выравнивая парциальное давление водяного пара по всему объёму воздуха в сосуде или в помещении.

Теплообмен водяного пара преимущественно с жидкой водой может объясняться ещё тем, что каждый газ имеет высокую избирательность спектра поглощения.

При этом у разных газообразных веществ эти спектры весьма различны.

Возможно, что и по причине такой избирательности спектра поглощения водяной пар может отбирать энергию только у родственной ей жидкой воды, но не у «чуждого» ей окружающего воздуха.

Интересно подсчитать какую долю энергии потратит молекула пара на расширение от объёма 0,018 л в жидком виде (Н2О-имеет молярную массу 18г/моль при плотности 1г/см.куб) до молярного объема 22,4л/моль в нормальных условиях.

Работу расширения будем считать с постоянным давлением 1атм=100кПа для массы воды 1кг, которая при испарении займёт объём 1244л.:

22,4/0,018=1244,4л/кг=1,244м.куб/кг

Тогда работа расширения будет равна 124,4кДж:

100кПа*1,244=124,4кДж

При энергии испарения воды 2400кДж/кг понятно, что работа по оттеснению атмосферного воздуха составит всего  5 % от  энергии парообразования.

124,4/2400=0,0518 или 5,2%.

Если работа по оттеснению воздуха с атмосферным давлением добавляет всего 5 % к общему балансу энергии испарения воды.

То есть действительно, подавляющая часть энергии парообразования зависит от  накопленной внутри газовой молекулы энергии.

При этом энергия отрыва от жидкой воды  и реальной работы  сил электростатического отталкивания при  расширении до нужного объёма  газа дают  ничтожную добавку к огромной фактическому содержанию энергии у паров воды.

Твёрдое вещество

Твёрдое вещество возникает при остывании за счёт возникновения  непосредственного контакта атомов своими внешними твёрдыми поверхностями,  когда сила электростатического отталкивания оказывается меньше силы магнитного притяжения (см.рис.14.-Граф.3.)

Рис.14. Граф.3. Твёрдое состояние. Кривая (а) силы магнитного притяжения молекул, кривая (б) силы электростатического отталкивания молекул. Fсжат = Fа-Fб сила прижатия молекул друг к другу в твёрдом веществе.

Значительная величина силы прижатия обеспечивает внутреннее трение слоёв вещества, тем самым препятствуя свободным деформациям твёрдого вещества.

То есть притяжение настолько велико, что заняв положение в «яме» между атомами,  такой атом твёрдого вещества способен передавать значительные сдвиговые нагрузки, не говоря уже о сильнейшем сопротивлении на  сжатие и растяжение.

Плавление вещества

При нагреве твёрдого вещества сила притяжения между молекулами снижается и в какой то момент становится равна силе отталкивания (смрис.15- граф.4.), и этот момент с температурой Т плав. соответствует началу плавления вещества с последующим переходом в состояние «жидкость».

Рис.15. Граф.4. Момент плавления. Кривая (а) силы магнитного притяжения молекул, кривая (б) силы электростатического отталкивания молекул. Кривые (а) и (б) пересеклись на расстоянии Rатом, что означает равенство сил сжатия и отталкивания на таком расстоянии, то есть Fсжат = Fа-Fб=0 сила прижатия молекул друг к другу в момент плавления твёрдом веществе равна нулю.

Расплавленное вещество- это жидкость, которая  в некотором диапазоне температур  будет сохранять устойчивую связь между молекул на небольшом расстоянии друг от друга без  твёрдого и жёсткого контакта молекул между собой. Именно такой подвижностью на сдвиг отличаются твёрдые тела от жидких.

При этом при приближении к температуре плавления  твёрдые тела становятся очень мягкими, что позволяет легко их деформировать сдвигом слоёв (обработка нагретых металлов  кузнечной «ковкой»).

Пограничный слой газа над твёрдым телом

Пограничный слой Твёрдое-Газ формируется при соприкосновении магнитно сцепленного твёрдого вещества с электростатически заряжёнными атомами Газа.

 Атомы газа не могут далеко оттолкнутся от твёрдого вещества, у которого незначительно выражены силы оттлкивания с нераскрытыми электростатическими коронами атомов. В результате ближний ряд газовых молекул оказывается прижат к твёрдой поверхности.

При этом пограничный газовый слой ещё способен отталкивать от себя другие атомы газа вбок и вверх, так как пограничный газовый слой остаётся в нужной степени электростатически напряжённым.

Подобное вжимание пограничного слоя газа (воздуха) в твёрдый металл объясняет почти мгновенное появление окислов металла на поверхности.

 Дальнейший контакт пограничного слоя газа осуществляется уже с твёрдой защитной плёнкой окислов на поверхности металла, защищающей от дальнейшего окисления нижележащий слой чистого металла.

Такое вжимание молекул газа в твёрдую поверхность до минимальных зазоров называют «аДсорбцией» газа на твёрдой  поверхность.

Адсорбция разных газов на цеолит

В предыдущей статье я разбирал эффект обрезания сфер отталкивания молекул газа («ауры») поверхностями твёрдых тел разной формы.

https://habr.com/ru/articles/996500/

В той же статье обсуждалось устройство «кислородного концентратора», где происходит избирательное осаждение  газообразного азота N2 на цеолите (пористое вещество с внутренними каналами нано-метрового размера).

При этом  даётся характеристика ёмкости  цеолита при поглощении как  азота N2, так и кислорода О2. Причём коэффициенты поглощения для разных газов отличаются в незначительной степени, то есть в разы, а не на порядки.  (см.рис.16.)

Рис.16. Графики способности поглощения газов N2 и О2 разными цеолитами в зависимости от давления газа. Отличие коэффициентов поглощения цеолитом N2 и О2  составляет на разном давлении  всего в два-три раза.

В тоже время цеолит в  ресивере «кислородного концентратора» просто игнорирует кислород, осаждая на себе только азот N2.

Как такое возможно?

Ответ кроется в структуре пограничного слоя газа вблизи поверхности цеолита.

Так как азот N2 и кислород О2 – это всё же разные газы, то и расстояния до твёрдой поверхности в пограничном слое у них разные (хотя бы самую малость).

У кислорода расстояние до цеолита получается больше, чем у азота.  Именно по этой причине в тот же цеолит  при тестовом  заполнении  чистым газом вмещается меньше кислорода, чем азота.

Из этого следует,  что при соседстве двух атомов разных газов в пограничном слое они будут находится на разной высоте от твёрдой поверхности.

Тогда  силы взаимного отталкивания у них будут не горизонтальными к поверхности, а будут иметь некий угол А к плоскости, тем самым создавая силу выталкивания для более удалённой от плоскости молекулы газа (см.рис.17.)

Рис. 17. Схема вытеснения от  твёрдой стенки молекул с большим удалением от твёрдой стенки в пограничном слое (меньшее «сродство»). Сила выталкивания равна Fот=F*6*sinA, где  F- это сила межмолекулярного отталкивания в газе F=Р/D1^2  , число 6- это число ближайших молекул в плоскости, А- угол наклона к плоскости от сил отталкивания  ближайших шести  молекул А=(Но2-НN2)/D1

В данном случае молекула О2 будет находиться дальше от цеолита, чем  молекула N2. По этому молекулы N2 просто вытолкнут все молекулы О2 прочь от цеолита, заняв освобождённое от кислорода место только одноимёнными  молекулами с одинаковыми свойствами.

Такой эффект «вытеснения чужака» создаётся не только на плоскости твёрдых адсорбентов, но и внутри пористых  каналов любой формы.

Похожим образом обеспечивается  интенсивная смена состава молекул  и у горячей стенки при нагреве.

Так чуть нагретая молекула расширяется от нагрева, тем самым  она чуть отдаляется от горячего твёрдого вещества, поднимаясь над более холодными  соседними  молекулами газа.

 За такой «отрыв от коллектива» соседние  газовые молекулы тут же выталкивают расширенную молекулу из плоскости контакта с твёрдой поверхностью, замещая освобождённое место сдвигом по плоскости более холодных одноимённых молекул.

Заключение

Для объяснения сложных свойств реального вещества нужно применять  сложно  составленные модели и для атомов этого вещества.

Простенькие «облака вероятности» по  модели Резерфорда  уже не могут объяснить сложные  реальные свойства окружающих нас твёрдых тел, жидкостей и газов.

А вот структурированные крупные атомы по СТГ,  с кольцевыми магнитными потоками из нуклонов и вращающимися электростатическими диполями в самих нуклонах, уже позволяют строить модели твёрдых, жидких и газообразных фазовых состояний одного вещества.