Metastable liquids  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
67930
Type K
Principal investigator Imre, Attila
Title in Hungarian Metastabil folyadékok
Title in English Metastable liquids
Keywords in Hungarian stabilitási határok, fázisátalakulások, többfázisú rendszerek, kritikus exponensek
Keywords in English Stability limits, phase transitions, multiphase sytems, critical exponent
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)70 %
Physics (Council of Physical Sciences)30 %
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Atomic Energy Research Institute (Centre for Energy Research)
Starting date 2007-07-01
Closing date 2011-07-31
Funding (in million HUF) 6.400
FTE (full time equivalent) 1.00
state closed project
Summary in Hungarian
A folyadékok tulajdonságai nem érthetők meg teljes egészében, ha a folyadékok viselkedését csak a stabil állapotukban ismerjük. A metastabil folyadékok sokkal érzékenyebbek a perturbációkra, így sok esetben ''mélyebb'' információt adhatnak a folyadékokban levő kölcsönhatásokról. A metastabil állapotban fellépő hirtelen fázisátalakulások pedig nemcsak elméletileg érdekesek; egy megfeszített folyadék robbanásszerűen gőzzé alakulhat, ami komoly baleseteket is okozhat. Még az olyan esetekben is, amikor csak a folyadék kis része alakul át (válik ki buborékként, szilárd fázisként vagy egy második folyadékfázisként), az új, immáron kétkomponensű rendszer fizikai-kémiai (mint pl. a hűtésnél igen fontos fajhő) és áramlástani tulajdonságai (viszkozitás stb.) jelentősen megváltozhatnak. Kutatásunkban elsősorban a metastabil folyadékokban fellépő fázisátalakulásokat szeretnénk kísérletileg, analitikusan, illetve numerikusan vizsgálni.
Summary
The full understanding of the behaviour of liquids cannot be reached by the study of their stable states. The metastable liquids are more sensitive for perturbations, therefore they can provide "deeper" insight into the molecular interactions. The sudden phase transitions under metastable conditions can be especially interesting, not only from a theoretical point of view but also their ability to cause serious accidents (like explosive boiling). Even when the phase transition affect only the minor part of the liquid, the physical-chemical behaviours (like specific heat or viscosity) of the new two-phase system can be changed drastically. The main focus of our studies is the detailed study of phase transitions in metastable liquids using numerical, analytical and experimental methods.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A folyadékok tulajdonságai nem érthetők meg teljes egészében, ha csak a stabil stabil állapotukat vizsgáljuk, ezért tűztük ki célul a metastabil folyadékok vizsgálatát. Leginkább a negatív nyomás hatására létrejövő metastabilitással foglalkoztunk. A négy év alatt különféle egy- és többkomponensű folyadékok stabilitási és nukleációs határait vizsgáltuk. Kidolgoztunk egy módszert, amellyel a spinodális határ mérhető mennyiségekből számítható. Kiterjesztettük a stabilitási határokat egyre rendezettebb rendszerekre (folyadékok, üvegek, folyadékkristályok, szilárd anyagok). Megvizsgáltunk néhány, rendezett rendszereknél időnként előforduló virtuális stabilitás-sértést (negatív alacsony dimenziójú kompresszibilitások, negatív Poisson-állandó). Az általunk vizsgált tiszta folyadékok (hélium 3 és 4, argon, széndioxid, víz, higany, alkánok) mellett a természetben előforduló, komplex folyadékokat is vizsgáltunk (olajok, talajvíz, iszap, növényi nedvek); ezek is gyakran kerülhetnek metastabil állapotba, akár a saját környezetükben is. Bár szuperkritikus állapotban nem létezik metastabilitás, létezik egy ú.n. pszeudokritikus állapot, amelyben a szuperkritikus fluidum hasonló viselkedést mutat, mint metastabil állapotban. Szuperkritikus vízre végeztünk számításokat; leginkább arra vonatkozólag, hogy bizonyos ipari felhasználásokat mennyire befolyásolhatnak ezek az. A kutatási tervben 8-16 cikket terveztünk; eddig 15 folyóirat-cikk és további 8 konferencia-cikk jelent meg a témában. Sajnos további OTKA támogatást a téma folytatására nem kaptunk, így a kutatás további sorsa kétséges.
Results in English
Studying the liquids only in their stable state is usually not enough, therefore our aim was to extend these studies to the metastable range. The main subject of our research was the metastability generated by negative pressure. During the last years the stability and nucleation limit of various pure and multicomponent mixtures have been studied. We developed a method to estimate the stability limit, using measurable interfacial properties. The stability criteria have been extended from liquid to more ordered systems (glasses, liquid crystals and solids). Some of the virtual stability criteria violation was studied too (negative low-dimension compressibility, negative Poisson-ratio). Several pure liquids (Helium3 and 4, carbon dioxide, Argon, water, Mercury, alkanes) and several complex natural liquids (oils, ground water, mud, xylem) was studied; the latter ones can reach metastable conditions in their natural occurrence. Metastability does not exist in the supercritical fluid state but one can find a so-called pseudocritical region, where the properties of the these fluids are close to the metastable ones. We performed several calculations on supercritical water, with special focus on the effect of pseudocriticality on industrial applicability. In the original research plan, 8-16 publications were planned; up to now we have 15 papers in various journals and 8 others in proceedings. The future of this research is questionable, due to the lack of further OTKA support.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=67930
Decision
Yes





 

List of publications

  
Aleksandra Drozd-Rzoska, Sylwester J Rzoska, C. Michael Roland and Attila R. Imre: On the pressure evolution of dynamic properties in supercooled liquids, Journal of Physics: Condensed Matter 20(2008)244103, 2008
J.W. Narojczyk, A. Alderson, A.R. Imre, F. Scarpa and K.W. Wojciechowski: Negative Poisson's ratio behavior in the planar model of asymmetric trimers at zero temperature, Journal of Non-Crystalline Solids, 354 (2008) 4242–4248, 2008
A. R. Imre, G. Mayer, G Házi, R. Rozas, T. Kraska: Estimation of the liquid-vapor spinodal from interfacial properties obtained from molecular dynamics and lattice Boltzmann simulations, Journal of Chemical Physics, 128(2008)114708, 2008
A. R. Imre, A Drozd-Rzoska, T Kraska, S J Rzoska and K W Wojciechowski: Spinodal strength of liquids, solids and glasses, Journal of Physics: Condensed Matter 20(2008)244104, 2008
A.R. Imre and T. Kraska: Liquid-vapour spinodal of pure helium-4, Physica B, 403(2008)3663-3666, 2008
I. F. Barna, A. R. Imre, L. Rosta and F. Mezei: Two-phase flow model for energetic proton beam induced pressure waves in mercury target systems in the planned European Spallation Source, European Physical Journal B, 66(2008)419–426, 2008
Attila R. Imre, Aleksandra Drozd-Rzoska, Ákos Horváth, Thomas Kraska and Sylwester J. Rzoska: Solid-fluid phase transitions under extreme pressures including negative ones, Journal of Non-Crystalline Solids, 354(2008)4157-4162, 2008
S. J. Rzoska, A. Drozd-Rzoska and A.R. Imre: The link between the pressure evolution of the glass temperature in colloidal and molecular glass formers, NATO Science Series:" Metastable Systems Under Pressure" (Eds.: S.J. Rzoska, A. Drozd-Rzoska and V. Mazur), 2009, Springer, pp31-37, 2009
Á. Horváth, Gy. Jákli, M. Horváth, A. Csordás, L. Sikó and A.R. Imre: Study of corrosion in supercritical water, Proceeding of the 4th International Symposium on Supercritical Water-Cooled Reactors, Paper No. 57 (CD), 2009, 2009
F. Römer, A. R. Imre and T. Kraska: The relation of interface properties and bulk phase stability: MD simulations of carbon dioxide, Journal of Physical Chemistry B, 113(2009)4688-4697, 2009
Thomas Kraska, Attila R. Imre and Sylwester J. Rzoska: Miscibility holes and continuous liquid-liquid miscibility curves in Types III and IV systems, Journal of Chemical & Engineering Data, 54(2009)1569-1574, 2009
A.R. Imre, G. Házi and T.Kraska: Estimation of the explosive boiling limit of metastable liquids, NATO Science Series:" Metastable Systems Under Pressure: Platform for New Technologies and Environmental Applications" (S.J. Rzoska and V.A. Mazur), Springer, pp271-278, 2009
A.R. Imre and S.J. Rzoska: About the shape of the melting line as a possible precursor of a liquid-liquid phase transition, NATO Science Series:" Metastable Systems Under Pressure: Platform for New Technologies and Environmental Applications" (S.J. Rzoska and V.A. Mazur), Springer, pp233-236, 2009
Attila R. Imre, Imre F. Barna, István Farkas, Attila Márkus, Gábor Házi and Thomas Kraska: Theoretical investigation of sudden vaporization and water hammer in SCWR during Loss of Coolant Accidents, Proceeding of the 4th International Symposium on Supercritical Water-Cooled Reactors, Paper No. 14 (CD), 2009
A. R. Imre, T. Kraska: Estimation of spinodals from the density profile of the vapor-liquid interface, Fluid Phase Equilibria, 284(2009)31-37, 2009
Attila R. Imre and Sylwester J. Rzoska: High-pressure melting curves and liquid-liquid phase transition, Advanced Science Letters, 3(2010)527-530, 2010
I. F. Barna, A. R. Imre, G. Baranyai, G. Ézsöl: Experimental and theoretical study of steam condensation induced water hammer phenomena, Nuclear Engineering and Design, 240(2010)146-150, 2010
A. R. Imre, I. F. Barna, G. Ézsöl, G. Házi, T. Kraska: Theoretical study of flashing and water hammer in supercritical water cycle during pressure drop, Nuclear Engineering and Design, 240(2010)1569–1574, 2010
A R. Imre, G. Házi, Á. Horváth, Cs. Maráczy, V. Mazur, S. Artemenko: The effect of inorganic materials on the behaviour of SCW in the vicinity of the pseudo-spinodal line, Proc. of the 12th European Meeting on Supercritical Fluids; New Perspectives in Supercritical Fluids Materials, Nanoscience and Processing, Paper CO89 (CD), 2010, 2010
Imre Attila: Negatív nyomás folyadékokban: Az iszapvulkánok fizikája, Proc. IV International Scientific Conference “Hungary-Azerbaijan: dialogue of cultures”, nyomdában, 2010
A R. Imre, G. Házi, Á. Horváth, Cs. Maráczy, V. Mazur and S. Artemenko: The effect of low-concentration inorganic materials on the behaviour of supercritical water, Nuclear Engineering and Design, 241(2011)296-300, 2011
Attila R. Imre, Alexander S. Abyzov, Imre F. Barna and Jürn W. P. Schmelzer: Homogeneous bubble nucleation limit of mercury under the normal working conditions of the planned European Spallation Source, European Physical Journal B, 79(2011)107-113, 2011
Attila R. Imre: Condensed Matters Under Negative Pressure, AIP Conference Proceedings, 1349(2011)33-36, 2011




 

Events of the project

  
2011-12-09 14:45:40
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: (MTA KFKI Atomenergia Kutatóintézet), Új kutatóhely: Atomenergia Kutatóintézet (MTA KFKI Atomenergia Kutatóintézet).



Back »