气泡的稳定性:从宏观尺度到纳米尺度

摘要

气泡是科学理论中非常常用的一个概念。大到整个宇宙，小到我们身边的经济现象，理论专家们都把这些现象称为气泡。从物理化学的观点来考虑，气泡是一个气体分散在液体中的多相体系。那么这个分散体系的稳定性是怎么样的，或者说一个气泡能在溶液中存在多久？生活经验告诉我们气泡总是不稳定的，一个气泡的命运无非是下面几种:　　(1)破裂；　　(2)溶解消失；　　(3)快速长大，最终浮出水面。　　仔细考虑与气泡有关的物理化学过程，你会慢慢发现生活中最常见的气泡现象根本就不简单。首先，气泡有一个气液界面，这个界面有特定的力学性质;当气泡溶解或者长大的时候，气液界面上会发生传质;而且气泡大小发生变化会驱动周围的溶液一起流动。这三个过程会相互影响，或者说气泡是一个界面-传质-流动相互耦合的动态体系。　　本文将会在简化的条件下，着重研究气液界面上的传质对气泡稳定性的影响。第一章，我们从热力学角度将气泡的稳定性概念化，着重讨论环境（温度，外界压力，溶液中气体浓度）对气泡稳定性的影响，最后给气泡的稳定性下一个明确的定义。第二章，我们将从动力学角度具体讨论气泡的寿命，应用不同的初始条件和边界条件，研究这些条件的物理意义，以及它们是怎么影响气泡的稳定性。　　在第三章，着重解释纳米气泡的性质。纳米气泡是最近十几年提出的新概念，简单的来说就是在固液界面上纳米尺度的气泡。我们目前对其性质所知甚少，从已有的文献来看，很多关于纳米气泡的结论都比较依赖于解释，或者说作者的主观意愿。但是有一点很明确:纳米气泡可以在固液界面上稳定的存在很长时间。第三章我们将从两个实验现象出发，讨论两个新的纳米气泡的性质:　　(1)纳米气泡的溶解的动力学是受气液界面上的很慢的分子交换速率决定的，而不是溶液中的传质决定的。　　(2)纳米气泡内部的物质具有很高的动态粘度，是一种类似半固体的物质。　　我们讨论了这两条性质的物理意义，并且提出了验证这两条性质的实验方法。　　本文的目的有两个，一来希望为研究生，老师搭一座便桥，使他们能够系统的理解有关气泡的热力学和动力学，从而真正的去理解稳定性。第二，希望将来本文能构成为入门高等物理化学的一个专题教材，本文强调物理图像跟理论的结合，弱化了解析推导的过程，更多使用数值工具，我假设这些技巧都是一个理学类的研究生可以自己努力快速掌握的。同时，在第三章中也有不少关于研究方法，研究思路的讨论，希望同学们能从中得到启发。

目录

摘要

符号含义

前言

第一章 什么是稳定性?

1．1 气泡的相平衡方程

1．2 环境因素对相平衡的影响

1．3 广义的稳定性

第二章 气泡的溶解动力学

2．1 模型

2．2 第一类边界条件：恒定接触角

2．3 第二类边界条件：三相线固定

2．4 解决纳米气泡稳定性的两点困难

第三章 关于纳米气泡的两个新观点

3．1 纳米气泡在流动溶液中稳定性

3．2 纳米气泡为什么长歪了

第四章 总结与展望

附录1 纳米气泡的脱气溶液中的行为

附录2．气泡溶解动力学的数值方法

参考文献

已发表的科研成果

致谢

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