научная статья по теме РАСКЛИНИВАЮЩЕЕ ДАВЛЕНИЕ МЕЖДУ ДИСКАМИ КОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНЫ С ДИСПЕРСИОННЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ Химия

Текст научной статьи на тему «РАСКЛИНИВАЮЩЕЕ ДАВЛЕНИЕ МЕЖДУ ДИСКАМИ КОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНЫ С ДИСПЕРСИОННЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ»

КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 77, № 5, с. 582-587

УДК 532.64

РАСКЛИНИВАЮЩЕЕ ДАВЛЕНИЕ МЕЖДУ ДИСКАМИ КОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНЫ С ДИСПЕРСИОННЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ

© 2015 г. Е. Н. Бродская, А. И. Русанов

Санкт-Петербургский государственный университет, Менделеевский центр 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., 7 E-mail: elena_brodskaya@mail.ru Поступила в редакцию 17.03.2015 г.

Для дисперсионных сил проведены расчеты локального нормального давления в круглой конечной щели между двумя одинаковыми цилиндрическими дисками. Получены оценки относительной поправки в расклинивающее давление от толщины взаимодействующих дисков по сравнению с бесконечно протяженными цилиндрами. Показано, что эти поправки наиболее существенны, если толщина дисков меньше размеров щели.

БО1: 10.7868/80023291215050031

В серии предыдущих статей [1—6] мы изучали тензор давления на стенках пустой конечной плоскопараллельной щели цилиндрической конфигурации двух типов: (1) между торцом цилиндра и бесконечной твердой поверхностью, (2) между торцами двух одинаковых соосных цилиндров. Круглая щель имела конечный радиус, однако тела, ее образующие, были бесконечно протяженными в направлении, перпендикулярном стенкам щели. Для заданного радиуса щели исследовалась зависимость компонент тензора давления как от ширины щели, так и от положения рассматриваемой точки относительно оси симмет-

рии системы. Были рассчитаны поправки на конечный радиус щели по отношению к бесконечной щели той же ширины. Из-за сложности вычислений рассмотрение цилиндров конечной высоты (при малой высоте цилиндр превращается в диск) откладывалось, но сейчас пришло время закрыть и этот пробел. Решение данной задачи представляется особенно важным для коллоидной науки, имеющей дело именно с такими телами.

Начнем со случая пустой щели между параллельными цилиндрическими дисками 1 и 2 с толщиной dи радиусом основания а (рис. 1). Как и в

Рис. 1. Схематическое изображение конечной щели между двумя цилиндрическими дисками толщиной d (а); (б) и (в) — две вспомогательные системы для расчета интеграла по объему нижнего диска.

предыдущих работах, ограничимся случаем дисперсионных сил с межмолекулярным потенциалом

Ф (12) = -АгГп, (1)

где А12 — постоянная молекулярного взаимодействия.

При расчете тензора давления будем исходить из определения Ирвинга—Кирквуда [7] и будем искать выражение для нормальной компоненты тензора давления. Выберем точку на поверхности диска 2 (обращенной к диску 1) и поместим туда начало координат с осью г, перпендикулярной поверхности щели и направленной в сторону диска 1 (рис. 1а). Опуская часть процедуры преобразования выражения для тензора давления р, с учетом симметрии системы и ограничения на выбор пары взаимодействующих молекул в дисках 1 и 2, обратимся к формуле (1) работы [3], где рассматривалась щель между торцами бесконечных цилиндров,

p = - 3A12qc2 J dry J dz

Zi

2 (Zl - Z2)5'

(2)

V V-

где У1 и У2 обозначают объемы тел 1 и 2 , а с1 и с2 —

их частичные плотности, величина г х г представляет собой тензор. Здесь также начало координат помещено в расчетную точку на нижней поверхности щели. При использовании цилиндрической системы координат р, ф, г для интересующей нас нормальной компоненты рм тензора р формула (2) преобразуется к виду

2п

Pla

pN (H, r, a) = -6A12c1c2 Jdф Jdzy J pdp x

H

(3)

J dz2Ti—-5

WP (p + Zl)(Z1 - Z2)

где величины

Pla

4

2 2 • 2 a - r sin ф- r cos ф;

V (рис. 1в) двух бесконечных цилиндров. Каждый из интегралов отвечает взаимодействию частиц в диске 1 с бесконечными цилиндрами, отделенными от него щелью шириной Н или Н + ё, соответственно. Вклад первого из них записывается в виде

2п И+й

(г, И, а, й) = -6А12с1с21йф | х

о н

Pla

J

(4)

pdp

dZ2

( + Z?)1,p(Zl - Z2)

в котором пределы для г2 будут такими же, как и в случае двух бесконечных цилиндров в формуле (2). После интегрирования по г2 и частичного по р этот вклад представляется в виде

pN (r, H, a, d) =

6

H3 (H + d)3 _

Al2clc2

2n H+d

J d^ J

Zl2dZl

о

H

(pla + Zl2)

■ +

(5)

3Al2clc2 2

2n Pla

J ^ J

p dp

H+d

J

Zl2dZl

(P + P2a) H (p2 + Zl2)

где оставшееся интегрирование по р и г1 можно выполнить аналитически, хотя выражения будут очень громоздкими. Однако последующее интегрирование по полярному углу придется выполнить численно. Очевидно, что при ё ^ да формула (5) переходит в выражение для нормального давления в конечной щели между двумя бесконечными цилиндрами [3]

p2a = -\]a2 - r2 sin2 ф - r cos (ф + п)

представляют собой расстояния от начала координат до граничной окружности щели.

Для случая двух конечных тел в качестве исходной можно использовать формулу (2), но следует учесть, что интегрирование проводится по ограниченным объемам V1 и V2. В нашем случае двух дисков при интегрировании по z1 верхний предел будет равен H + d. Несколько большие преобразования потребует интеграл по объему V2 нижнего диска. Этот интеграл можно представить в виде разницы интегралов по объемам V3 (рис. 1б) и

_ nAl2ClC2

6H

. 2п Pl

pN (r, H, a, да) _

2п да

l - fJ

Zl2dZl

H

(pla + Zl2 )

(6)

- J d^ J T^ J'

n J J(p + p) Ji

ZldZl

(P + P2a ) H (p2+ Zl2 )

При рассмотрении второго вклада р$ (г, И,а, й) необходимо учитывать, что рассматриваемая точка находится не на поверхности цилиндра и должно выполняться неравенство й < z1р2a|р. Это накладывает дополнительные условия на преде-

х

о

4

x

о

да

(а)

4

0.8

0.6

0.4

0.2

0 5

2 2

0.2 (б)

0.4 0.2

(в)

0

Рис. 2. Поправка в локальное нормальное давление в круглой конечной щели радиуса а: (а) — для двух дисков толщиной 0.25а, (б) — для двух бесконечных цилиндров, (в) — разность вкладов в нормальное давление АN при d = 0.25а.

лы изменения р и ф при последующем интегрировании. Как и при получении формулы (5), выполнив ряд интегрирований по 12, р и z1 с учетом ограничений на пределы интегрирования, получим следующее выражение для второго вклада:

п (2)

р N

н'

/1-

ЛА12С1С2

6Н3

__ н3

(Н + Л)3 (Н + 2Л)3 _

+ Щ- X

2п

Н+й

йг1

н

(¿1+Л)4

Ф(Р1« < Р) + ^ ЛФ(Р1« > Р)

] / 2 , ,2,3

' (р^ + Л ) _

Г:

] / 2 , 2,3 . (Р1а + ¿1)

■ +

+ (7)

. Н+й

+ 9Н- [ ^

П 1

Н

р

(Р1а > р)

р1а

рф (р >Р1а ) | Лр

/ 2 , 2,4,, ч4' (р + ¿1 ) (Р + р2а)

где р = р(ф, г1) = 1]Р2а1Л. При d ^ да величина стремится к нулю.

Суммируя вклады (5) и (7), получим окончательную формулу для нормального давления на стенке конечной щели между двумя дисками толщиной d

РN (г, Н, а, Л) = {1 - fN (г, Н, а, Л)}, (8)

где величина fN (г, Н, а, Л)

2Н3 _ 2Н3 3Н_ (Н + Л)3 (Н + 2Л)3 2п

Н+й

Н+й

3Н3

Н

(¿1 + Л) 2п I & + Л)

Н

(9)

Р

¿1 Лф<Р1а < р) + [Л Лф(р1а > р)

/ 2 2,3 (Р1а + ¿1)

Я

/ 2 , (Р2а + Л )

+

Н

9Н3

| рф ((5 > рха) |

Р5^Р

/ 2 , 2,4. , ч 4

(Р + ¿1 ) (Р + Р2а)

дает относительную поправку в нормальное давление бесконечной щели за счет конечных размеров как самой щели, так и образующих ее дисков.

За исключением интеграла в третьем слагаемом, все остальные интегралы в правой части (8) из-за сложной зависимости р(ф, г1) приходится вычислять численно. Результат для случая d = = 0.25а приведен на рис. 2б в сравнении с аналогичной величиной для бесконечных цилиндров (рис. 2а) и их разностью в интервале Н < 5а (рис. 2в). Эта разность характеризует вклад в давление имен-

0

5

0

0

п

Н

р

(а)

(б)

0.8

(в)

(г)

0.04 0.03 / 0.02 0.01

0

4 з 0 60.4

Рис. 3. Разность вкладов А/м в нормальное давление в круглой конечной щели радиуса а для бесконечных цилиндров и дисков конечной толщины ¿1 = 0.1а (а), 0.25а (б), 1а (в), 2а (г).

но от конечного размера частиц. Из сравнения рис. 2а и 2б видно, что для бесконечных и ограниченных цилиндров зависимости поправок в нормальное давление от ширины щели и от положения в ней аналогичны. Величины поправок непрерывно растут при увеличении ширины щели, причем учет конечного размера дисков уменьшает нормальное давление в щели по сравнению с бесконечными цилиндрами.

При детальном анализе дополнительного вклада в поправочный член от конечных размеров дисков обнаруживается немонотонная зависимость этой величины от ширины щели (рис. 2в). Чем ближе к центру щели находится рассматрива-

емая область, тем сильнее выражена немонотонность в зависимости от Н. Такое поведение можно понять, основываясь на предельных значениях поправок для бесконечно узких и бесконечно широких щелей. Очевидно, что значения поправок для дисков и бесконечных цилиндров должны сближаться в этих предельных случаях, как следует из рис. 2а и 3б. В бесконечно узких щелях влияние обоих конечных эффектов должно быть слабым, а в широких, наоборот, в обоих случаях поправки стремятся к единице, так как давление будет исчезать. Поэтому для промежуточных значений ширины щели для отдельного эффекта от ограниченного размера частиц следует ожидать

Кп

(а)

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2

0 к

„ _ -

/ /'

- / / '

/ /.'

! ■' / ■ /

-: //./ -----1

¡ 7 1 , / ----2

-; ///

.... 4

* 1 - - 5 1 1 1 1

3

Н/а (б)

d

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

0

- / \ 1 2

-1 \ ---- 3 4

-1 ^ ** \ 1 ' N \ ' 4 \ J / ч\ 5

\ ; .

23 Н/а

Рис. 4. (а) - Зависимости относительного отклонения среднего значения расклинивающего давления от соответствующего значения для бесконечной щели, Кп(Н, а, й), от ширины круглой щели радиуса а между дисками конечной толщины й = 0.1а (1), й = 0.25а (2), й = 0.5а (3), й = 1а (4), й = 2а (5), й = да (б); (б) - зависимости отдельного вклада, связанного с конечным размером дисков, К?(Н, а, й), от ширины щели для дисков тол-щиной й= 0.1а (1), й = 0.25а (2), й = 0.5а (3), й = 1а (4), й= 2а (5).

появление максимума. Действительно, согласно формуле (8) при любых конечных значениях г, а и й имеем следующие предельные значения для/х: ^ 0 при Н ^ 0 и/н ^ 1 при Н ^ да. Согласно выражению (6), такие же предельные значения получим и для поправки в случае бесконечных цилиндров. Разность поправок для двух случаев определяет вклад только от конечного размера дисков в относительное отклонение давления от давления в бесконечной щели. Следовательно, будучи положительной величиной, этот вклад должен иметь максимальные значения в некото

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком