亚稳态极限下水的结晶相变动力学理论研究

作     者：黄曦晨 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙燕云

授予年度：2023年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：水冻结 相变动力学 透射率 高压环境 

摘      要：水的冻结一直是物理化学等领域的重要研究课题，同时也是是冰科学中最重要的问题之一。2003年Dolan等人把液态水从常温常压下等熵压缩至7 GPa，观测到水在十个纳秒内完成冻结，并在冻结过程中透射率发生陡变。然而水在相变过程中透射率陡变的物理机制仍未被定量解释。 在本工作中，基于经典形核理论与Mie理论，结合数值模拟与实验分析，通过动力学模型分析了相变过程中样品透射率的陡变现象，揭示了水的相变机理。得到了描述样品透射率与稳态形核速率之间的解析关系。此外，本文取得了如下认识: (1)根据所发展的Zel dovich-Frenkel方程以及粒子分布，得到相变驱动力存在极限，即|Δμ|/(kBT)≤1。该不等关系意味着，在接近亚稳态极限时，无法通过进一步增加过冷度来显著提高相变驱动力。 (2)理论与计算结果表明物质发生相变时，样品透射率陡变的主要原因是由于极高的稳态形核速率。在亚稳态极限的深度过冷状态下，样品的稳态形核速率极高。在透明样品中，新出现的大量新相核对光进行散射，从而导致样品透射率的陡降。当样品过冷度不高时，稳态形核速率低，对于同等厚度的透明样品，没有足够的新相核对光进行明显的散射，因此观测不到样品透射率陡变的现象。 本工作首次从理论层面定量分析了Dolan等人观测到的水在相变过程中透射率陡变的实验现象。通过建立物理模型阐明了水快速冻结过程中透射率陡变的物理机理，揭示了相变过程中形核速率与样品透射率的关系，为这一类透射率实验的分析提供了理论参考。由于该物理模型的建立并不依赖样品的选择，因此本文的物理模型与理论结果也同样适用其它物质的相变过程。