Rheologie der Phasengrenze

Phasengrenze

Die Grenze zwischen 2 Bulkphasen wird als Phasengrenzbereich oder Phasengrenze bezeichnet. Die Physikalischen Eigenschaften des Phasengrenzbereichs unterscheiden sich deutlich von denen in den angrenzenden Bulkphasen. Die Dicke des Phasengrenzbereichs ist nicht eindeutig bestimmbar, da sich in ihm physikalische Stoffgrößen von einer angrenzenden Bulkphase zur anderen kontinuierlich ändern. Typischerweise ist der Phasengrenzbereich wenige Moleküldurchmesser dick, nur nahe des kritischen Punktes weitet sich der Phasengrenzbereich deutlich aus. Man unterscheidet 2 Modellierungsansätze für Phasengrenzbereiche, solche, die den Phasengrenzbereich als 3 dimensionalen Raum behandeln (van der Waals), solche, die den Phasengrenzbereich als 2 dimensionale Grenzfläche approximieren (Young).

Phänomene an der Phasengrenze

An einer Phasengrenze treten verschiedene Phänomene auf:

  • Marangonieffekt:Ein lokaler Gradient der Oberflächenspannung, hervorgerufen z.B. durch inhomogenes Konzentrations- oder Temperaturfeld, erzeugt Konvektion im grenzflächennahen Bereich (Marangonikonvektion).
  • Grenzschichtviskosität:Auch bei großen Reynoldszahlen kann im Wandnahen Bereich die Viskosität nicht vernachlässigt werden (z.B. d'Alembertsches Paradoxon).
  • Fallgeschwindigkeiten von Tropfen:bei kleinen Tropfen besitzen oberflächenaktive Stoffe großen Einfluss darauf, ob in die Tropfenflüssigkeit zirkuliert oder sich als starrer Körper verhält.
  • OberflächenwellenOberflächenaktive Stoffe dämpfen die Wellenbewegung zusätzlich.

Motivation

Für die Dimensionierung verfahrenstechnischer Prozesse müssen obige Phänomene berücksichtigt werden. Ziel ist es, diese Phänomene in kontinuumsmechanische Modelle einzubinden. Sie besitzen einen zusätzlichen Ordnungsparameter zur Beschreibung der Systemheterogenität. Die Treibende Kraft in der Transportgleichung dieses Ordnungsparameters wird so angesetzt, dass die Freie Energie des Systems stets einem Minimum zustrebt. Wir wollen insbesondere die Praxistauglichkeit solcher Modelle untersuchen. Ein Problem dabei ist, dass der Phasengrenzbereich häufig schwer experimentell zugänglich ist. Daher soll zusätzlich versucht werden, die beschriebenen Phänomene mit Hilfe der Methode „molekulardynamische Simulation“ nachzustellen.

Unter der Annahme, dass die MD Simulation die Realität korrekt widerspiegelt, können dann Materialgleichungen und phänomenologische Koeffizienten für kontinuumsmechanische Modelle des Phasengrenzbereichs abgeleitet werden.