ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОВЕДЕНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ГИПЕРЗВУКА В РАСТВОРЕ АЦЕТОН-ВОДА

Вопрос о существовании различных фаз в жидкостях и фазовых переходов типа жидкость-жидкость неоднократно обсуждался в последнее время. Экспериментальные факты, указывающие на проявление такого рода переходов, имеются [1,2]. Однако, эти переходы пока еще не признаются достаточно убедительно доказанными и существование фазовых переходов жидкость-жидкость остается одной из интригующих проблем физики конденсированного состояния вещества и физики фазовых переходов и критических явлений [3].

Согласно [1,2], во многих переохлажденных жидкостях существует средний порядок (кластеры или упорядоченные области). Предпочтительные связи в кластерах могут быть различными в различных температурных интервалах. Это и приводит к существованию различных фаз в жидкостях – фаз с различным средним порядком.

Экспериментальные данные по распространению гиперзвука в растворе гваякол-глицерин вблизи замкнутой области расслаивания (ЗОР), двойной критической точки (ДКТ) и особой точки (ОТ), перечисленные в [3], обнаруживают ряд особенностей в температурной зависимости скорости V гиперзвука:

1. при температурах выше верхней критической температуры расслаивания (ВКТР) и ниже нижней критической температуры расслаивания (НКТР) температурные коэффициенты скорости гиперзвука (производные скорости гиперзвука по температуре) различаются приблизительно в два раза;
2. такое различие сохраняется и в случае, когда ЗОР трансформируется (стягивается) в ДКТ и, далее, в ОТ;
3. в ближайшей окрестности температуры ДКТ и ОТ скорость гиперзвука не зависит от температуры (dV/dT=0);
4. для ультразвука изменение температурного коэффициента скорости не наблюдается. При этом температурный коэффициент скорости ультразвука практически совпадает с температурным коэффициентом скорости гиперзвука при температурах выше ВКТР, ДКТ и ОТ.

По мнению авторов работы [3] полученные экспериментальные данные удается объяснить существованием двух различных фаз (I и II) раствора с температурой фазового перехода T₀. Температура T₀ совпадает и с температурой центров замкнутых областей расслаивания, и с двойной критической точкой, и с особой точкой. В фазе I, названной в [3] френкелевской фазой, молекулы находятся в потенциальных ямах с глубиной, превышающей тепловую энергию молекулы. Только в этой фазе возможно существование упорядоченных областей (кластеров), т.е. среднего порядка, а также высокочастотного модуля сдвига. В фазе II, названной в [3] газоподобной фазой, тепловая энергия молекулы оказывается больше глубины потенциальной ямы. В этой фазе нет среднего порядка и высокочастотного модуля сдвига.

Упорядоченные области в фазе I – это не флуктуационно возникающие образования, а структурный элемент этой фазы [3].

Авторы [3] выдвигают также и предположение о том, что в жидкостях может существовать и не одна, а несколько френкелевских фаз, различающихся характером среднего порядка.

Идеология авторов работ [1-3] и предложенная в [3] физическая картина, вытекающая из данных по распространению гиперзвука в растворах с ЗОР, ДКТ и ОТ, нам представляются вполне оправданными.

Целью настоящей работы явилось изучение температурной зависимости скорости распространения гиперзвука в окрестности температуры ОТ раствора ацетон-вода, компоненты которого, в отличие от раствора гваякол-глицерин, обладают сравнительно малой вязкостью.           

Исследование скорости гиперзвука осуществлялось по спектрам линейно-поляризованного молекулярного рассеяния света путем измерения величины частотного смещения компонент Мандельштама-Бриллюэна (КМБ). Для изучения КМБ была использована экспериментальная установка с двухпроходным интерферометром Фабри-Перо. Спектр рассеянного света сканировался изменением давления в камере интерферометра. Рассеяние возбуждалось одночастотным излучением He-Ne лазера (λ=632.8 нм, мощность ~2 мВт). Возбуждающий свет был поляризован перпендикулярно плоскости рассеяния.

Как было найдено в работе [4] при измерении поглощения ультразвука в растворе ацетон-вода, концентрация ацетона, соответствующая максимуму поглощения ультразвука и минимуму стабильности раствора, составляет 0.4 мольной доли ацетона. Измерения в настоящей работе проводились именно для раствора этой концентрации. Температура особой точки T₀»24 ⁰C.

На рисунке приведены экспериментально полученные в настоящей работе температурные зависимости скорости распространения ультразвука (частота 30.3 МГц) и гиперзвука (частота ~2.6 ГГц) в растворе ацетон-вода в окрестности температуры ОТ.

Рисунок 1. Температурная зависимость скорости ультразвука (□) и гиперзвука (■) в растворе ацетон-вода. Температура особой точки T₀≈24 ⁰С. Сплошные линии – сглаживание линейных участков методом наименьших квадратов

Сопоставление экспериментальных данных, полученных нами для раствора ацетон-вода и авторами работы [3] для раствора гваякол-глицерин, показывает, что в исследованных растворах температурные зависимости скорости распространения высокочастотного звука обнаруживают ряд закономерностей, присущих обоим растворам. В то же время, некоторая особенность температурной зависимости V(t), наблюдаемая в растворе ацетон-вода, отсутствует в растворе гваякол-глицерин.

Экспериментальные данные, полученные нами для раствора ацетон-вода, свидетельствуют о том, что в нем, как и в растворе гваякол-глицерин, при изменении (понижении) температуры происходит переход от газоподобной (неупорядоченной, по терминологии авторов работы [3]) фазы во френкелевскую фазу, характеризующуюся существованием среднего порядка (упорядоченные области, кластеры) [3]. Температура этого фазового перехода совпадает с температурой особой точки.

Вместе с тем в растворе ацетон-вода в температурной зависимости скорости гиперзвука наблюдается особенность, отсутствующая в растворе гваякол-глицерин. А именно, ниже ОТ (т.е. во френкелевской фазе) экспериментально наблюдается еще одно изменение температурного коэффициента скорости гиперзвука при T≈18 ⁰C. Таким образом, в отличие от раствора гваякол-глицерин, температурная зависимость скорости гиперзвука в растворе ацетон-вода ниже температуры ОТ описывается не одним, а двумя температурными интервалами, в которых скорость гиперзвука линейно меняется с температурой, но с существенно различающимися температурными коэффициентами. Температурный коэффициент скорости гиперзвука при T≤18 ⁰C приблизительно равен температурному коэффициенту скорости ультразвука.

Обнаруженное в нашем эксперименте изменение температурного коэффициента скорости гиперзвука в температурном интервале ниже ОТ может служить экспериментальным подтверждением предположения о том, что в жидкостях может существовать не одна, а несколько френкелевских фаз, различающихся характером среднего порядка.