Особенность распространения гиперзвука в водных растворах неэлектролитов в температурной окрестности особой точки.

SPECIFICITY OF HYPERSOUND PROPAGATION IN AQUEOUS SOLUTIONS OF NON-ELECTROLYTES IN THE TEMPERATURE VICINITY OF THE SINGULAR POINT

Leonard Sabirov

Dr. physical-mat. sciences, professor, Samarkand State University, Uzbekistan, Samarkand

Khairillo Khaidarov

Cand. physical-mat. sciences, associate professor, Samarkand State University, Uzbekistan, Samarkand

Shavkat Kadirov

Assistant, Urgench State University, Uzbekistan, Urgench

Shavkat Karshiboev

Graduate student, Samarkand State University, Uzbekistan, Samarkand

Juraev Yulchi Toshmamadovich

assistant, Samarkand State University, Uzbekistan, Samarkand

Murod Vapaev

Graduate student, Urgench State University, Uzbekistan, Urgench

Alisher Khalikov

Technical laboratory assistant, Samarkand State University, Uzbekistan, Samarkand

Аннотация. Методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии получена информация о характере распространения гиперзвука в зависимости от частоты и температуры в водных растворах неэлектролитов. В окрестности особой точки растворов обнаружено нетривиальное температурное поведение гиперзвука при малых углах рассеяния М-Б.

Проведен анализ температурной зависимости скорости гиперзвука от частоты в водных растворах метилпиридинов.

Abstract. The specific features of hypersound propagation in aqueous solutions of nonelectrolytes in dependence of frequency and temperature have been investigated using Mandelstam-Brillouin spectroscopy. Nontrivial temperature behavior of hypersound at small Mandelstam-Brillouin scattering angles is observed in the vicinity of solution singularity. The temperature dependences of hypersonic velocity in aqueous solutions of methylpyridines at different frequencies have been analyzed.

Ключевые слова: Гиперзвук, компоненты Мандельштам-Бриллюэна, тонкая структура линии Релея, дисперсия, водные растворы, особая точка.

Keywords: hypersound, Mandelstam-Brillouin components, Rayleigh-line fine structure, dispersion, aqueous solutions, singularity.

В чистых жидкостях и обычных нерасслаивающихся растворах зачастую наблюдается положительная дисперсия скорости звука [1]. В этом случае, скорость растет, если частота звука увеличивается. Величина дисперсии обычно составляет несколько процентов от среднеарифметической суммы ультра и гипер скоростей. Значение дисперсии обычно сохраняется в температурном интервале исследования. Зависимость скорости звука от частоты в этих случаях связывается с процессом релаксации объемной вязкости, природа которой обусловлена разными механизмами.

Чаще всего дисперсию скорости звука оценивают по разнице величин скоростей на ультра и гиперзвуковых частотах. Изменяя угол рассеяния света от малых углов q близкое к 0 и до q порядка 180⁰ можно измерить скорость распространения низкочастотного и высокочастотного гиперзвука. Однако, изучение низкочастотного гиперзвука представляет собой трудную экспериментальную работу. Наиболее комфортным является работа по определению характеристик распространения гиперзвука при углах рассеяния близких к q=90⁰. Для изучения дисперсии скорости гиперзвука в водных растворах неэлектролитов мы расширили диапазон наблюдения гиперзвука для углов рассеяния q=135⁰ и q=45⁰.

Температурные зависимости скорости гиперзвука были изучены методом одновременной регистрации КМБ [2] на разных углах рассеяния q и (180-q)  (в нашем случае 45⁰ и 135⁰). Скорость гиперзвука зависит от угла рассеяния света следующим образом.

                                                                                                              (1)

Здесь Dw_мб – циклическая частота смещения КМБ, l-длина волны возбуждающего света, n-показатель преломления среды и q-угол рассеяния.

Скорость гиперзвука, измеренная по смещению КМБ при малых углах рассеяния обнаружило нетривиальное температурное поведение скорости в водных растворах b-пиколина и g-пиколина. Особенность заключается в том, что скорость гиперзвука на частотах 2ГГц<f<3ГГц не является линейно зависящей от температуры (см. рис. 1-2).

Сравнивая температурные зависимости скоростей на частотах 6.2 ГГц и 2.6 ГГц в растворе b-пиколин-вода (0.06 м.д. b-п.) можно видеть следующее: а) скорость гиперзвука на частоте 6.2 ГГц имеет плавное уменьшение величины температурного градиента скорости с уменьшением температуры. б) скорость гиперзвука на частоте ~2.6 ГГц в этом же температурном интервале имеет по крайней мере три линейных интервала зависимости.

Другими словами, величина градиента скорости изменяется существенно в разных температурных интервалах. Более сложная картина зависимости скорости гиперзвука в интервале частот 6.2 ГГц и 2.6 ГГц наблюдается в растворе g-пиколин-вода (0.06 м.д. g-п.). Из рисунка 2 видно, что здесь также, как и в водном растворе b-пиколина особенность скорости наблюдается в окрестности температуры t=50⁰С.

Наши прежние исследования водных растворов g-пиколина в широком интервале температур [3] показали, что температура t=50⁰С находится между максимумами, соответствующими нижней критической точки расслаивания (НКТ=62⁰С) и верхней критической точкой расслаивания (ВКТ=35⁰С) и является температурой особой точки. Это удовлетворительно согласуется с фазовой диаграммой представленной [4].

Известно, [4] что водные растворы неэлектролитов в исследованных нами температурных интервалах имеют так называемую «особую точку» на фазовой диаграмме (давление – Р, температура – Т, концентрация – С) представленной в [4]. Согласно [4] растворы пиколинов с водой при нормальном давлении Р_н=10⁵Па пребывают в смешанном состоянии.

Увеличение температуры (t>50⁰С) приводит раствор к нижней температуре расслаивания (НТР). Уменьшение температуры (t<50⁰C) ведет раствор к верхней температуре расслаивания (ВТР).

Таким образом, температура особой точки представляет собой границу раздела природы межмолекулярных взаимодействий при t>50⁰С и при t<50⁰C. Общее между ними то что, как при повышении, так и при понижении температур, раствор стремится к расслаиванию. Разница только в различной природе молекулярного взаимодействия ведущему к процессу расслаивания. По-видимому, это граница раздела межмолекулярных взаимодействий проявилась в нетривиальной зависимости скорости гиперзвука от температуры на частоте гиперзвука f=2.6ГГц.

Рисунок 1. Зависимость скорости гиперзвука в растворе β-пиколин-вода (0.06 м.д- β-пиколина) от температуры для f=2,6 ГГц (♦) , для f=6,2 ГГц(■)

а)                                                                                     б)

Рисунок 2 а. б. Зависимости скорости гиперзвука от температуры в растворах γ - пиколин-вода (0.06 м.д. - γ - пиколина) для а) f ≅ 6.2 ГГц (x), для б) f ≅ 2.5 ГГц (●)