Ανάπτυξη φυσαλίδων σε υπερκόρο διάλυμα υπό συνθήκες μικροβαρύτητας

Abstract

Στη διατριβή εξετάζεται η ανάπτυξη φυσαλίδων μέσα σε υγρό κορεσμένο με διαλυμένο αέριο, όταν η θερμοκρασία του υγρού αυξάνεται τοπικά πάνω από τη θερμοκρασία κορεσμού, αλλά κάτω από το σημείο βρασμού του. Η δημιουργία και η ανάπτυξη φυσαλίδων αέριας φάσης μέσα σε υγρό παίζει σημαντικό ρόλο σε διάφορους τομείς της τεχνολογίας (παρασκευή γυαλιού, πολυμερικών αφρών, ανθρακούχων ποτών, διαχωρισμοί επίπλευσης, μεταφορά θερμότητας με βρασμό), σε γεωφυσικά φαινόμενα (απαέρωση ηφαιστείων) αλλά και στην ανθρώπινη φυσιολογία (νόσος δυτών). Τα πειράματα που παρουσιάζονται διεξήχθησαν σε συνθήκες μικροβαρύτητας κατά τη διάρκεια παραβολικών πτήσεων του ευρωπαϊκού οργανισμού διαστήματος (ESA). Το περιβάλλον μικροβαρύτητας διατηρεί το σχήμα των φυσαλίδων σφαιρικό και εκμηδενίζει τη φυσική συναγωγή, επιτρέποντας έτσι λεπτομερέστερη εξέταση της μοριακής μεταφοράς θερμότητας/μάζας (διάχυση) και των διεπιφανειακών φαινομένων (θερμοτριχοειδής συναγωγή). Μελετώνται τέσσερα υγρά με διαφορετικές θερμοφυσικές ιδιότητες, ενώ το αέριο κορεσμού είναι πάντα διοξείδιο του άνθρακα. Οι φυσαλίδες αναπτύσσονται στην άκρη ενός μικρού, σχεδόν σφαιρικού θερμαντήρα (thermistor) και στην επιφάνεια ενός επίπεδου θερμαντήρα, ενώ η εξέλιξή τους καταγράφεται οπτικά και αναλύεται με επεξεργασία εικόνας. Διαπιστώθηκε ότι η πυρηνογένεση παρουσιάζει χρονική υστέρηση αντιστρόφως ανάλογη της θερμοκρασίας του θερμαντήρα (ή, ισοδύναμα, της θερμικής ισχύος που καταναλώνεται). Ο ρυθμός ανάπτυξης της φυσαλίδας εξαρτάται ισχυρά από τις ιδιότητες του υγρού. Για το ίδιο υγρό, αύξηση της θερμικής ισχύος οδηγεί σε ταχύτερη ανάπτυξη. Πέραν ορισμένης ισχύος (χαρακτηριστικής για κάθε υγρό) αναπτύσσονται ταυτόχρονα περισσότερες της μίας φυσαλίδες οι οποίες ανταγωνίζονται για το διαθέσιμο διαλυμένο διοξείδιο. Οι φυσαλίδες που αναπτύσσονται στο ευνοϊκότερο υγρό (κ-επτάνιο) παρουσιάζουν έντονη εγκάρσια κινητικότητα και φαινόμενα συγχώνευσης, θερμοτριχοειδούς έλξης και εξαναγκασμένης αποκόλλησης. Διαμορφώθηκε μοντέλο σφαιρικά συμμετρικής διάχυσης θερμότητας/μάζας για την πρόβλεψη του ρυθμού αύξησης της ακτίνας της φυσαλίδας. Ισοθερμοκρασιακή ανάπτυξη (με θερμοκρασία φυσαλίδας ίση με του θερμαντήρα) οδηγεί σε νόμο της μορφής R~t05, και επαληθεύεται πειραματικά μόνον κατά τα πρώτα λίγα δευτερόλεπτα της εξέλιξης. Το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την επίλυση του αντίστροφου προβλήματος (πρόβλεψη της χρονικής εξέλιξης της μέσης θερμοκρασίας φυσαλίδας με βάση την μετρημένη μεταβολή του μεγέθους της) και έδειξε ότι η φυσαλίδα σταδιακά υπολείπεται όλο και περισσότερο της θερμοκρασίας του θερμαντήρα λόγω της αύξουσας επίδρασης της ψυχρής κύριας μάζας του υγρού.