Коэффициент термоэлектрической ЭДС коллоидного раствора канифоли

Бесплатный доступ

В работе приведены результаты исследования термоэлектрического эффекта истинного раствора, коллоидного и их смеси. Проведены серийные измерения коэффициента термоэлектрической ЭДС растворов в зависимости от их разбавления. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что коллоидные частицы, которые имеют высокие значения теплоты переноса и низкие значения подвижности, начинают вносить заметный вклда в итоговую величину термоЭДС смеси золя и истинного раствора, только при низких концентрациях ионного электролита. С другой стороны, в области высоких концентраций электролита термоЭДС смеси определяется ионами, имеющими высокие значения подвижности.

Еще

Термоэлектрический эффект, коэффициент соре, коэффициент термоэдс, коллоидная частица

Короткий адрес: https://sciup.org/170190751

IDR: 170190751   |   DOI: 10.24411/2500-1000-2020-10244

Текст научной статьи Коэффициент термоэлектрической ЭДС коллоидного раствора канифоли

Явление термодфиффузии, приводящее к изменению концентраций веществ в смеси под воздействием градиента температуры, известно более полутора веков. Количественно оно характеризуется коэффициентом Соре s который, например в жидкости, пропорционален градиенту концентрации растворенного вещества, возникшего при наложении единичного температурного градиента в соответствии с урав- gradm)=^ • grad(T)

нением m [1]. Здесь m – молярность растворенного вещества, T -абсолютная температура. Данное явление исследовалось в широком классе веществ: газах, жидкостях, растворах электролитов. Протекание данного явления в растворах электролитов сопровождается формированием в жидкости разнос и электрических потенциалов Δφ ~ grad(T), обусловленной различием в транспортных характеристиках катионов и анионов диссоциирующего вещества их подвижностей μ± и теплоты переноса Q±.

Величина коэффициентов Соре в водных растворах неорганических ионных электролитов по порядку величины равна 10-3 К-1 и в подавляющем большинстве случаев отрицательна по знаку [2]. Отри- цательный знак коэффициента Соре s означает, что неорганические ионные электролиты перемещаются в более горячие области, где их концентрация возрастает по сравнению с более холодными областями. Коэффициент их термоэлектрической силы α = Δφ/ΔT составляет десятки и сотни мкВ/К [3] и сравним с таковым для металлов и полупроводников, применяющихся в качестве материалов для термоэлектрических преобразователей [4].

Сравнительно недавно, в конце прошлого века, было обнаружено, что коэффициент Соре жидких дисперсных растворов может превышать коэффициент Соре ионных электролитов на два, три порядка [5]. В связи с этим началось бурное исследование таких систем. Данное явление для коллоидных растворов получило свое название – термофорез. Оно изучалось в широком классе систем водных и неводных растворителях [6, 7], в присутствии различных растворенных веществ [8], при различных значениях pH и концентрации коллоидных частиц и их размера [9].

Агрегативная устойчивость таких растворов обусловлена электрическими взаимодействиями между коллоидными частицами в растворе, которые должны быть обязательно заряженными, вследствие ад- сорбции на их поверхности ионов одного знака. В результате заряженное ядро коллоидной частицы окружается динамической оболочкой из ионов противоположного знака. Образованные таким образом мицеллы являются заряженными частицами, поэтому явление термодиффузии в коллоидных растворах всегда сопровождается возникновением термоэлектродвижущей разности потенциалов, как и в растворах ионных электролитов.

Термоэлектрические явления в отличие от термодиффузионных изучаются в коллоидных растворах в настоящее время сравнительно редко. Однако как было по- казано в [10] возникающие в них термоэлектрические разности потенциалов могут существенно влиять на термофорети-ческий транспорт коллоидных частиц. В данной работе исследуются термоэлектрические свойства коллоидного раствора сосновой канифоли в дистиллированной воде. Для исследования термоэлектрического эффекта использовалась установка, показанная на рисунке 1 [11]. Хлорсеребряные электроды и термодатчики подключались к иономеру ИПЛ-113, по полученным данным строились экспериментальные зависимости.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

1 – U-образная трубка, 2 – нагреватель, 3 – хлорсеребряные электроды, 3,4 – термодатчики.

Для получения коллоидного раствора 2% спиртовой раствор канифоли добавлялся к дистиллированной воде, при этом получался молочно-белый, довольно устойчивый золь.

О

0,5

1,0

1,5 m,%

2,0

—■— смесь золя канифоли с водным раствором NaOH -•- водный раствор NaOH

m, %

2,0

Рис. 2. Зависимость коэффициента термоЭДС золя канифоли от массового содержания канифоли.

Рис. 3. Зависимости коэффициента термо-ЭДС водного раствора NaOH и его смеси с зо лем канифоли постоянной концентрации от массового содержания NaOH.

Исследования термоэлектрического эффекта проводились с золем канифоли при различных концентрациях 2% спиртового раствора канифоли в дистилирован-ной воде (рис. 2), с водным раствором NaOH и их смеси (рис. 3).

Как видно из графика (рис. 2) коэффициент термоЭДС водного раствора канифоли по порядку величины составляет несколько десятков мкВ/К. Зависимость имеет четко выраженный максимум при массовом содержании канифоли около 1%.

При исследовании смеси канифоли с раствором гидроксида натрия, (рис. 3) в области высоких концентраций электролита до 0.5%, коэффициент термоэлектрической силы смеси определяется ионным электролитом, анионы которого OH- имеют высокие значения подвижности. Однако при уменьшении содержания щелочи наблюдается все более и более увеличивающееся различие между коэффициентом термоЭДС чистого электролита и коэффициентом термоЭДС смеси с коллоидным раствором. Причем коэффициент термо-ЭДС смеси, при малых концентрациях щелочи, приближается к коэффициенту для чистого раствора канифоли. Таким образом, вклад коллоидных частиц, имеющих высокие значения теплоты переноса и низкие значения подвижности, в итоговую величину термоэлектродвижущей силы смеси становится заметным только при низких содержаниях электролита.

Рост интереса к термоэлектрическим свойствам коллоидных растворов со стороны исследователей обусловлен перспективами применения жидких дисперсных систем в качестве электролитов термоэлектрохимических источников тока [12], предназначенных для прямого преобразования низкопотенциальных тепловых потоков от промышленных установок в электрическую энергию. В связи с этим широкое экспериментальное и теоретическое исследование термоэлектрических явлений в коллоидных растворах является важной задачей.

Список литературы Коэффициент термоэлектрической ЭДС коллоидного раствора канифоли

  • Хаазе. Р. Термодинамика необратимых процессов. - М.: Мир, 1967. - 544 с.
  • Payton A.D. Soret coefficients and heats of transport of some salts of alkaline earth metals in water at 25°C / Payton A.D. Turner J.C.R. // Trans. Faraday Soc. - 1962. - Vol. 58. - P. 55-59.
  • T.I. Quickenden and Y. Mua, J. Electrochem. Soc. 142, 3985 (1995) and references therein.
  • R. Hu, B.A. Cola, N. Haram, J.N. Barisci, S. Lee, S. Stoughton, G. Wallace, C. Too, M. Thomas, A. Gestos, M.-E. dela Cruz, J.P Ferraris, A.A. Zakhidov, and R.H. Baughman, Nanoletters 10, 838 (2010).
  • J. Lenglet et al., Phys. Rev. E 65, 031408 (2002)
Статья научная