Гідроенергетика міжфазної поверхні

Гідроенергетика міжфазної поверхні (англ. molecular interfacial surface hydropower або interfacial surface hydropower) — наука та галузь, складова частина молекулярної гідроенергетики, яка вивчає й використовує енергетичні властивості молекул та атомів всередині об'єму та на межі фаз, взаємодію цих частинок між собою та з іншими тілами з метою вироблення, накопичення, розподілу та використання електричної енергії.

Взаємодія молекул рідини з міжфазною поверхнею капіляра.

Об'єктами досліджень гідроенергетики міжфазної поверхні є міжфазні поверхні, термодинамічні потенціали поверхні стінок капілярів, молекулярна гідродинаміка капілярів, пористі структури транспортування рідини в неживій та живій природі, їх енергетичні параметри і характеристики, молекулярні технології та системи гідроенергетики міжфазної поверхні, іншими словами, способи та технічні засоби перетворення енергії молекул всередині об'єму та на межі фаз в енергію спрямованого руху рідини, а далі — в електричну енергію безпосередньо або опосередковано.

Історія

Англійський фізик-експериментатор Френсіс Хоксбі ще у 1709 році виконав перші дослідження капілярності. У 1718 році Джеймс Джюрін показав залежність висоти стовпа рідини у капілярі від площі його поперечного перетину. Швейцарський математик і фізик Даніель Бернуллі вдосконалив диференціальні рівняння, чисельні методи та теорію ймовірностей і застосував їх у вивченні гідродинаміки, кінетичної теорії газів, аеродинаміки та теорії пружності. У 1805 році англійський вчений Томас Юнг встановив зв'язок між перепадом капілярного тиску на кордоні системи «рідина-повітря» та поверхневим натягом. Того ж року висновки Томаса Юнга були математично формалізовані французьким математиком і астрономом П'єром Симоном Лапласом. Сьогодні одна з важливих формул фізики носить назву рівняння Юнга-Лапласа. 1830 року результати були узагальнені в роботах німецького математика та астронома Карла Фрідріха Гаусса. Німецьким інженером і будівельником Готтхільфом Генріхом Хагеном у 1839 році була встановлена кількісна залежність об'ємних витрат рідини через капіляр від перепаду тиску.[9] У 1841 році ця залежність була підтверджена французьким фізиком і фізіологом Жаном Леонардом Пуазейлем. Сьогодні відповідний закон носить ім'я Хагена–Пуазейля. Німецький фізик Франц Ернст Нейман у своїй роботі, яка побачила світ 1894 року, систематизував досягнення своїх попередників. Дев'ятнадцяте століття позначилося широким застосуванням в аналізі фізичних та хімічних систем положень гідродинаміки, термодинаміки та статистичної механіки. Сучасне пояснення поведінка флюїдів знайшла в роботах французького інженера Клода-Луї Нав'є з теорії пружності та гідродинаміки, а пізніше — в рівняннях британського математика та фізика Джорджа Габріеля Стокса .

В рамках молекулярної фізики та хімії вималювалися нові розділи — фізика та хімія поверхні. У 1876 році американський математик, фізик та хімік Джозая Віллард Гіббз пояснив поняття поверхневої енергії, хімічного потенціалу та правила фаз (Гіббза).

Данський фізик Віллем Хендрік Кеезом 1921 року дослідив диполь-дипольну електростатичну взаємодію між зарядами для молекулярних йонів, між диполями для полярних молекул, між квадруполями і мультиполями. Взаємодія Кеезона є різновидом слабкої міжмолекулярної взаємодії ван дер Ваальса. Голландсько-американський фізик і хімік Петер Джозеф Вільям Дебай. поширив поняття дипольного моменту на розподіл заряду в молекулі. Згідно розрахункам Петера Дебая полярна молекула (диполь) поляризує сусідню молекулу, утворюючи таким чином диполь і обумовлюючи притягання молекул. Фундаментальний вклад у теорію хімічного зв'язку та міжмолекулярних (дисперсійних) сил вніс німецький та американський фізик-теоретик Фріц Вольфганг Лондон. Вчений встановив взаємодію неполярних молекул, обумовлену флуктуаціями електронних хмарок. У 1924 році англійський фізик та хімік-теоретик Джон Едвард Леннард-Джонс, вивчаючи взаємодію молекул рідини та газів, запропонував поняття потенціалу міжатомних сил (потенціалу Ленарда-Джонса), який дозволяв пояснити параметри рівнянь ван дер Ваальса. У сфері його наукових доробок — парамагнетизм двоатомних молекул, зокрема, молекул оксигену, хвильові функції мультіелектронних атомів, електронна структура та взаємодія простих радикалів, хімічна валентність та метод молекулярних орбіталей.

Дослідження, які ведуться протягом останніх десятиліть на перехресті гідродинаміки, електрохімії, колоїдної хімії та електрокінетики, дали народження мікрогідродинаміці або мікрофлюїдиці (англ. microfluidics), в якій розглядаються механізми переміщення рідини у вузьких капілярах під впливом зовнішніх та/або внутрішніх сил. Сферою використання досягнень мікрогідродинаміки стали на початку 1980-х років струменеві принтери, пізніше — мініатюрні хімічні лабораторії на чипі . З розвитком нанотехнологій з'явилося поняття наногідродинаміки або нанофлюїдики (англ. nanofluidics) — розділ гідродинаміки, в якому розглядаються механізми переміщення рідини у капілярах діаметром 1-100 нм. У рамках мікрогідродинаміки та наногідродинаміки досліджується рух флюїдів капілярними системами вивчаються особливості побудови капілярів у неживій та живій природі.

Табелінг, Скваєрс, Брюс та Берт'є у своїх роботах вивчають питання дискретної неперервної та мікрогідродинаміки. Галіндо-Росалес фокусується на параметрах та характеристиках флюїдів, віддаючи перевагу числовим методам оцінки та оптимізації мікрогідродинамічних систем.

Принцип роботи

Поведінка рідини в капілярах зі змочуваною та незмочуваною поверхнями, утворення термодинамічних p- та n-потенціалів, термодинамічних потенціальних ям, де область термодинамічного потенціалу Гіббза p-типу характеризується малим значенням крайового кута змочування (θ < π/2) та високою адгезією поверхні твердого тіла, а область термодинамічного потенціалу Гіббза n-типу характеризується великим значенням крайового кута змочування (θ > π/2) і низькою адгезією молекул рідини до поверхні твердого тіла, можуть бути використані для створення молекулярних енергетичних технологій та систем міжфазної поверхні: гідроадгезійних (на основі капілярів зі змочуваною поверхнею) та гідроабсорбційних (на основі капілярів з незмочуваною поверхнею), а також гідроабсорбційних систем на основі термодинамічного p-n переходу у горизонтальних та вертикальних парних капілярах.

Термодинамічні p-n переходи, зокрема ті, котрі виникають на кордоні гідрофобної та гідрофільної секцій капіляра при русі рідини горизонтальним парним капіляром і характеризуються конкуренцією фронтів нерівноважних потоків, є надзвичайно важливим напрямком досліджень Термодинамічний p-n перехід не має жодного відношення до електронного p-n переходу, це всього лише збіг термінології та намагання пояснити фізичну сутність явищ звичними термінами.

Схеми, конструкції, параметри та характеристики елементів та систем гідроенергетики міжфазної поверхні досліджуються в рамках молекулярної фізики, фізики та хімії поверхні, молекулярної гідродинаміки, термодинаміки та електродинаміки.

Гідроадгезійні системи виробництва електричного струму на основі термодинамічного p-потенціалу Гіббза

Молекулярна гідроакумулювальна система виробництва електричного струму на основі позитивного термодинамічного p-потенціалу Гіббза

У молекулярній системі на основі позитивного термодинамічного p–потенціалу Гіббза виробництво електричного струму забезпечується нагнітанням рідини (наприклад, води) міжмолекулярними силами адгезії та поверхневого натягу на кордоні її об'єму з подальшим перетворенням потенціальної чи кінетичної енергії потоку рідини за допомогою електродинамічних пристроїв в електрику. Таку систему можна ще назвати гідроадгезійною, бо у фундаменті рушійних сил лежить ефект зчеплення молекул рідини з молекулами гідрофільної поверхні стінок капілярів. Цей ефект є проявом вандерваальсових сил, які утворюють міжмолекулярні зв'язки між молекулами рідини та поверхні твердого тіла, формують водневі зв'язки та викликають дифузію молекул. Міжмолекулярні сили (адгезії), які виникають між молекулами рідини та поверхні твердого тіла, перевищують сили (когезії) всередині рідини. Рівень адгезії рідинної та твердої фаз визначається величиною поверхневої енергії фаз та міжфазної поверхні. Енергія молекул міжфазної поверхні приводить в рух потоки рідини, переборюючи зовнішні сили гравітації. Рідина у вертикальних занурених порах піднімається за рахунок сил поверхневому натягу, який є результатом дії сил когезії молекул в рідині й сил адгезії молекул рідини та поверхні пор.

У відповідності з фізичними принципами, які лежать в основі виробництва електричного струму, гідроадгезійні системи міжфазної поверхні можна класифікувати на гідроакумулювальні, прямої генерації, прискорювальні, розгалуженого річища тощо. Структурна схема молекулярної гідроакумулювальної системи виробництва електричного струму на основі позитивного термодинамічного p-потенціалу Гіббза включає нижній RS1 та верхній RS2 накопичувальні резервуари з робочою рідиною FL, мікрофлюїдний рушій MF у вигляді капілярної структури CS, флюїдостік DR, гідроагрегат НА та електричний адаптер EA. Принцип роботи системи заснований на використанні надлишку енергії молекул міжфазної поверхні, порівнюючи з їх енергією всередині об'єму фаз, для підняття рідини з нижнього резервуару у верхній з подальшим застосуванням потенціальної енергії накопиченої рідини для виробництва електричного струму за допомогою класичного гідроагрегата.

Гідроабсорбційні системи виробництва електричного струму

Гідроабсорбційні системи виробництва електричного струму засновані на здатності капіляра на негативному термодинамічному n-потенціалі Гіббза дозовано поглинати спадаючий потік рідини. Їх робота пояснюється за допомогою крапельної гідроабсорбційної моделі долання потенціального бар'єра. Багатоелементна гідроабсорбційна молекулярна система виробництва електричного струму на основі термодинамічного n- потенціалу Гіббза включає дозувально-транспортну систему DMTR, гідроабсорбційний приймач рідини HABR, гідроагрегат HA та електричний адаптер EA.

Конструктивна схема багатоелементної гідроабсорбційної молекулярної енергогенеруючої системи на основі термодинамічного n-потенціалу Гіббза.

При зануренні капілярів гідроабсорбційного приймача HABR з незмочуваною поверхнею в рідину в кожному капілярі утворюється термодинамічний n-потенціал Гіббза, так звана потенціальна термодинамічна яма — область з від'ємним значенням потенціальної енергії, великим значенням крайового кута змочування та низькою адгезією молекул рідини до поверхні стінок капілярів. Під дією сил тяжіння рідина FL, яка сконцентрована в резервуарі, з верхнього шару через центральний флюїдопровід TNG та дозатори DM1, DM2 дозувально-транспортної системи DMTR спрямовується в гідроабсорбційний приймач HABR. Цей пристрій забезпечує дозовану абсорбцію рідини окремими зануреними стовпами рідини, видалення надлишкового об'єму та стрімке відновлення термодинамічних параметрів поглинаючих стовпів рідини. Потік рідини в центральному флюїдопроводі обертається спочатку в кінетичну енергію гідротурбіни, потім в електродинамічній системі електрогенератора трансформується в електричну енергію ЕE. Параметри електричного струму EC доводяться в електричному адаптері EA до стандартних значень, і струм спрямовується споживачам та/або в електричну мережу EN.

Вказані системи гідроенергетики є комбінованими макроскопічно-молекулярними технологічними засобами. Молекулярні технології міжфазної поверхні застосовуються тільки для накопичення рідини (гідроакумулювання) та/або формування потоку. Перетворення ж кінетичної енергії потоку в електрику відбувається за допомогою традиційних макроскопічних гідроагрегатів — гідротурбін та поєднаних з ними гідрогенераторів.

Див. також

• Молекулярна енергетика
  • Молекулярна гідроенергетика

Джерела

• Сидоров В. І. (2018). Від макроскопічних до молекулярних технологій відновлюваної енергії. Промислова електроенергетика та електротехніка — № 3. — С. 34-42 (Укр.).
• Сидоров, В. І. (2020). Молекулярна енергетика. Теорія та технічні рішення (Укр.). Черкаси: Вертикаль, видавець Кандич С. Г. с. 486 с. ISBN ISBN 978-617-7475-79-7.
• Gibbs, J. W. (1876). On the Equilibrium of Heterogeneous Substances. Transactions of the Connecticut Academy of Sciences (Англ.).
• Van der Waals, J. D. (1873). Over de Continuiteit van den Gas- en Vloeistoftoestand (on the continuity of the gas and liquid state). PhD thesis (Нім.). Leiden, The Netherlands.
• Debye, P. (1912). Zur Theorie der spezifischen Waerme. Annalen der Pyisik. Leipzig. — 39(4). — P. 789—839. (Нім.).
• Heitler, W. and London, F. (1927). Wechselwirkung neutraler Atome und homöopolare Bindung nach der Quantenmechanik. Zeitschrift für Physik. — 44. — Р. 455—472. (Нім.).
• Lennard-Jones, J. E. (1929). The electronic structure of some diatomic molecules. Transactions of the Faraday Siciety. — Vol. 25. — P. 668—686. (Англ.).
• Tabeling, P. (2010). Introduction to Microfluidics (Англ.). USA Oxford University Press . с. 310 p.
• Squires, T. M., Quake S. R. (2005). Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale. Reviews of Modern Physics. — Vol. 77. — Р. 977—1026. (Англ.).
• Bruus, H. (2008). Theoretical Microfluidics (Англ.). Oxford University Press. с. 346 р.
• Berthier, J. (2008). Micro-Drops and Digital Microfluidics (Англ.). Norvich, NY: William Andrew Inc. с. 441 p.
• Galindo-Rosales, F. J. (Ed.) (2018). Complex Fluid-Flows in Microfluidics (Англ.). Springer International publisher AG. с. 111 p.