Например, Бобцов

Динамика температуры прозрачной наножидкости, находящейся под воздействием периодического светового поля

УДК 535.211
ДИНАМИКА ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОЗРАЧНОЙ НАНОЖИДКОСТИ, НАХОДЯЩЕЙСЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПЕРИОДИЧЕСКОГО СВЕТОВОГО ПОЛЯ

© 2013 г.

А. И. Ливашвили, канд. физ.-мат. наук; Г. В. Костина; М. И. Якунина Дальневосточный Государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск Е-mail: livbru@mail.ru

Теоретически проанализировано тепловое действие излучения, возникающее при облучении прозрачной дисперсной среды за счет эффекта Дюфура. Получены аналитические выражения, описывающие динамику концентрации наночастиц и температуры среды.

Ключевые слова: эффект Дюфура, дисперсная жидкофазная среда, динамика концетрации, добавочная температура.

Коды OCIS: 260.0260, 350.0350.

Поступила в редакцию 30.07.2012.

Объектом нашего исследования будет оптически прозрачная жидкофазная микрогетерогенная среда, в которой в качестве дисперсной фазы присутствуют наночастицы. В  нашем случае  – это диэлектрические частицы, размеры которых колеблются от нескольких до сотен нанометров, а плотность близка к плотности жидкости. Подобного рода среды получили название наножидкостей или наносуспензий [1,  2], процессы переноса в которых интенсивно изучаются.
Как известно, в результате действия светового поля на жидкофазную микрогетерогенную среду в последней возникают градиенты температуры и концентрации, приводящие к так называемым перекрестным эффектам: эффекту Соре и Дюфура [3]. Эффект Дюфура, обратный термодиффузионному эффекту Соре, заключается в возникновении теплового потока и градиента температуры в процессе взаимной диффузии компонентов бинарной системы под действием градиента концентрации одного из компонентов.
Целью данной работы является теоретиче­ ское рассмотрение результатов действия эффекта Дюфура, возникающего при взаимодействии лазерного излучения с оптически прозрачной наножидкостью. Это явление описывается уравнением вида [3]

cpr

¶T ¶t

=

lÑ2T

+

r1Tm1c1ST

èæçççç

¶C ¶t

øö÷÷÷÷,

(1)

где T – температура среды, T~ – невозмущенная

(равновесная) температура среды, С  – концен-

трация одного из компонента бинарной системы, cр, r, l  – теплофизические постоянные среды, r1  – плотность одного из компонентов системы, mc11  =  ∂m1  /∂C, где m1  – химический потенциал одного из компонентов, ST  – коэффициент Соре системы. Второе слагаемое в  уравнении (1) связано с той частью теплового потока, который возникает в результате наличия градиента концентрации в системе.
Простейшим способом создания регулярных градиентных световых полей является интерференция двух световых пучков, приводящая к гармонической модуляции интенсивности и­ злучения с периодом L, изменяемым в  интервале l/2 ≤ L ≤ ∞ где l – длина волны лазерного излучения. В частности, при записи динамических голограмм распределение интенсивности падающего излучения в плоскости слоя среды имеет вид [4]

I(x) = I0 + qsinkx, -¥ < x < ¥,

(2)

где q = 2 I0Is , I0 и Is  – интенсивности записывающих голограмму опорной и сигнальной плоских волн, соответственно (I0 >> Is), k – волновой вектор пространственной решетки.
Воздействие градиентной силы со стороны напряженности электрического поля световой волны приводит к возникновению потока (дополнительному к диффузионному и термодиффузионному), получившему название как электрострикционный.
Балансное уравнение, описывающее динамику концентрации наночастиц в жидкофазной среде с учетом только диффузионного

“Оптический журнал”, 80, 2, 2013

71

и  электрострикционного потоков можно записать в виде

¶C ¶t

=

DÑ2C

-

div(gCÑI),

(3)

где приняты следующие обозначения: C(x,  t)  =

=  m0/m  – массовая концентрация дисперсных

частиц (m0  – масса наночастиц, m  – масса сре-

ды), D, DT  диффузии и

– коэффициенты термодиффузии, g 

соответственно =  4pbD/c–nkBT,

b  – поляризуемость частиц, kB  – постоянная

Больцмана, n  – эффективный показатель пре-

ломления среды, c– – скорость света в вакууме,

I  –интенсивность световой волны. Заметим,

что в равенстве (3) опущено термодиффузи-

онное слагаемое, то есть, мы рассматриваем,

изменение концентрации только за счет диф-

фузионного и электрострикционного потоков.

Такой подход продиктован следующими об-

стоятельствами. Учет термодиффузионного

потока приводит к появлению в уравнении

(3) слагаемого, пропорционального величине

DTC∇2T. Для оценки величин gC∇2I и DTC∇2T следует сравнить выражения gI и DSTT, где ST  =  DT/D  –коэффициент Соре системы. Таким образом, видно, что интенсивность явля-

ется здесь управляющим параметром и, сле-

довательно, электрострикционное слагаемое

может давать больший вклад нежели термо-

диффузионное. Имеется еще один аспект этой

проблемы: удержание этого слагаемого созда-

ет большие математические трудности: систе-

ма уравнений (1, 3) перестает быть точно ре-

шаемой и  необходимо привлекать численные

методы.

Далее мы опускаем, учитывая его ма-

лость, слагаемое ∇I∇C. Сравнивая слагаемые ∇I∇C  ≈  dC(dI/l02) и C∇2I  ≈  C(dI/l20), получаем dC    D (что практически всегда выполняется) будет ≈1. В  результате, выражение для максимальной добавочной температуры запишется в виде

DTm

=

1 20p

kBT 2 ST q cnha0l

,

(17)

из которой следует, что максимальное значение температуры не зависит от концентрации частиц. Проведем оценку DTm. Полагая: T = 300 K, ST = 1 K–1,

q = 21013 Âò/ì2, p

e÷ =1,1,

eæ =1,0,

ñ = 3´108 ì/c,1 l = 0,5 Âò/ì.K, è n =1,1,

получим: DTm ≈ 5×10–3 K. В дополнении к изложенному отметим, что
в  рассматриваемых процессах диссипации световой энергии не происходит (нет поглощения) и возникновение добавочной температуры в  системе феноменологически связано с изменением энтропии, которое вызвано возникающими в среде потоками вещества и массы и инициировано световым полем
Таким образом, полученные результаты позволяют рассчитать тепловое действие излучения при его распространении в прозрачной дисперсной среде, величина которого может быть заметной для мощных лазерных пучков. Это представляет интерес для ряда практических задач, возникающих при миниатюризации систем охлаждения и управления теплообменом. Мы полагаем, что полученные нами результаты, могут быть учтены в задачах термооптической спектроскопии, основанной на эффекте изменения оптических характеристик среды в  результате процессов теплопереноса (в  данном случае показателя преломления среды).

*   *   *   *   *

“Оптический журнал”, 80, 2, 2013

73

ЛИТЕРАТУРА
1. Терехов В. И., Калинин С.В., Леманов В.В. Механизм теплопереноса в наножидкостях. Современное состояние проблемы (обзор) // Теплофизика и аэромеханика. 2010. Т. 17. № 1. С. 2–15.
2. Рудяк В.Я. Белкин А.А. Моделирование коэффициентов переноса наножидкостей // Наносистемы: Физика, Химия, Математика. 2010. Т. 1. № 1. С. 157–177.
3. Tabiryan N., Luo W. Soret feedback in thermal diffusion of suspensions // Phys. Rev. 1998. V. 57. № 4. С.  4431.
4. Де Гроот, Мазур П. Неравновесная термодинамика. М.: Мир, 1964. 565 с. 5. Афанасьев А.А., Рубинов А.И., Михневич С.Ю., Ермолаев И.Е. Четырехволновое смешение в жидкой су-
спензии диэлектрических прозрачных микросфер // ЖЭТФ. 2005. Т. 128. В. 3. С. 451–453.
74 “Оптический журнал”, 80, 2, 2013