بررسی ساختار و خواص ترمودینامیکی سیالات محدود شده داخل نانوحفره‌ی کروی و نانوحفره‌ی بین دو کره‌ی تودرتوی هم مرکز با استفاده از نظریه‌ی تابعی چگالی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Over the past few years, the structure, thermodynamic properties and phase behavior of confined fluids have been the subject of many experimental and theoretical studies due to their importance for such industrial applications. Therefore in this thesis, the modified fundamental measure theory is applied to investigate the structure, thermodynamic properties and phase behavior of confined fluids inside of the nano spherical pores. in the first step of this thesis, we presented limits of weighted densities integrals to primate a direct solutions for bi-spherical pores in which the diameter of the inner sphere is less than molecular diameter, and also for case of an empty spherical pore in the region around its center up to ?/2. In this thesis, we investigate the effects of concavo-convex walls of a nanopore, which formed between two homocentric spheres, on the structure and thermodynamic properties of confined fluids. The results obtained from this study show that the structure and thermodynamic properties of fluids are determined by the two entropy and energy effects. In Yukawa fluids , for the thermodynamic state in which the energy effect is the dominant factor, contact density at a concave wall is less than that at a convex wall; this will be reversed for the thermodynamic state in which the entropy effect is the dominant factor such as for hard sphere fluids. It is possible to find thermodynamic states in which contact densities at concave and convex walls become identical. Also capillary condensation is in certain cases observed for Yukawa fluids. In the next step, we have shown that the structure, amount of adsorption, and also the position of capillary condensation of fluid basically changes even by inserting a very thin sphere, R s =0.01? in an ESP. In fact the existence of a forbidden region around the inner sphere for the case bi-spherical pores, even R s =0.01?, causes a remarkable shift in the adsorption in the bulk density at which the phase transition happened. the insertion of a tiny sphere in an ESP cusses the liquid droplet, which is formed in the center of ESP, to sprinkles in whole of the nano-pore. In addition in this thesis, we investigate the population inversion, selective adsorption, and demixing of confined mixture fluids in a spherical nanocavity . Our results show that for L-J asymmetric binary mixture fluids indicate that the mole fraction of large species (molecules with bigger radii) inside the cavity becomes greater with increasing size ratio or with decreasing

می‌دانیم که امروزه مطالعه‌ی ساختار و خواص سطحی و ترمودینامیکی سیالات محدود شده در نانوحفرات سه بعدی به علت کاربردهای فراوان صنعتی و غیر صنعتی آنها از اهمیت ویژه‌ای در تمامی زمینه‌ها برخوردار است. لذا این رساله به بررسی ساختار و خواص سیالات محدود شده درون نانوحفراتی با تقارن کروی اختصاص یافته است. برای مطالعه‌ی سامانه‌های مختلف از نسخه‌ی بسیار کارآمدMFMT نظریه‌ی تابعی چگالی استفاده شده است. در فصل نخست، در ابتدا افزایش یک ذره‌ی کروی در اندازه‌های کوچک‌تر از اندازه‌ی مولکول‌های سیال، در مرکز نانوحفره کروی بر ساختار و خواص ترمودینامیکی سیال محدود شده مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج محاسبات نشان می دهند که با افزایش ذره‌ی کروی و ثابت کردن آن در مرکز نانوحفره‌ی کروی یک حجم مستثنی شده پیرامون ذره‌ی کروی ایجاد می‌شود که به شدت خواص ترمودینامیکی سیالات محدود شده را به علت عامل آنتروپی و انرژی ناشی از حضور این حجم تحت تاثیر قرار می‌دهد. نتایج محاسبات دانسیته‌ی میانگین سیال دویوکاوا نشان از وجود گذار فاز از حالت شبه گازی به حالت شبه مایع در برخی شرایط ترمودینامیکی دارد. مقایسه نمودارهای گذار فازی سیال درون نانوحفره کروی با سیال درون نانوحفره‌ی کروی در حضور ذره در مرکز نانوحفره نشان می‌دهد که با قرار دادن این ذره‌ی کوچک در مرکز نانوحفره یک جهش در مکان(دانسیته‌ی تودهای) گذار فاز نسبت به کره‌ی توخالی نشان می‌دهد. همچنین با قرار دادن این ذره در مرکز نانوحفره به علت وجود آمدن عامل آنتروپی و قطع شدن بخشی از برهم‌کنش‌های بین مولکولی روی ذره‌ی کروی، قطره‌ی مایع ایجاد درون نانوحفره‌ی کروی توخالی تحلیل رفته و داخل نانوحفره پخش می‌شود. در بخش بعدی این فصل توابع دانسیته‌های وزنی برای سامانه‌های با تقارن کروی پیرامون نانوحفره‌ی کروی با شعاع‌های کوچک‌تر از شعاع‌های مولکولی و درون نانوحفرات کروی محاسبه گردیده است.بررسی‌ها حاکی از آن است که ساختار و خواص سیالات درون نانوحفره از عامل آنتروپی و انرژی تعیین می‌گردد. به‌طوری که با بیشینه شدن نقش عامل انرژی نسبت به عامل آنتروپی دانسیته‌ی نقطه‌ی برخورد کنار دیواره‌ی محدب بیشتر از دیواره‌ی مقعر می شود و بلعکس با بیشینه شدن نقش عامل آنتروپی نسبت به عامل انرژی دانسیته‌ی نقطه‌ی برخورد کنار دیواره‌ی مقعر بیشتر از دیواره‌ی محدب می شود. یافته‌های این بررسی حاکی از وجود گذار فاز سیال گاز مانند به مایع مانند به علت انحنای دیواره‌های نانوحفره است. به طوری که با ثابت کردن اندازه‌ی کره‌ی داخلی و با افزایش اندازه‌ی نانوحفره این گذار فازی اتفاق می افتد. در فصل بعدی این رساله اثرات محدودیت سه بعدی و شرایط ترمودینامیکی بر وارونگی جمعیت، جذب گزینشی و جدایی فاز مخلوط دوتایی سیال لنارد-جونز مورد مطالعه قرار گرفته است. مطالعات ما در این فصل نشان می دهد که عوامل آنتروپی و انرژی بهینه باعث جذب گزینشی گونه‌ی کمتر با برهم‌کنش‌های ضعیف‌تر و اندازه‌ی بزرگ‌تر در سیال توده‌ای به داخل نانوحفره‌ی کروی و در نتیجه بروز پدیده‌ی وارونگی جمعیت در این سامانه‌ها می‌شود. مطالعات ما نشان می‌دهد که با تعیین بهینه شرایط ترمودینامیکی از قبیل دما نسبت اندازه‌ی دو ذره و اندازه‌ی نانوحفره‌ی کروی می‌توان باعث جذب گزینشی یک گونه به داخل نانوحفره و در نتیجه جداسازی گزینشی شد. در نهایت به بررسی تاثیر نوع برهم‌کنش‌های سیال-سیال و سیال-دیواره و انحنا و جهت انحنای دیواره بر کمیت‌های کشش بین سطحی و جذب افزوده در همسایگی دیواره‌ی نانوحفره‌ی کروی پرداخته شده است. هدف اصلی بررسی روند تغییرات کشش بین سطحی و جذب افزوده‌ی سیالات در دو سوی دیواره‌ی نانوحفره کروی با تغییرات انحنای دیواره‌ی نانوحفره است. نتایج این فصل نشان می‌دهند رفتار کیفی و روند تغییرات کشش بین سطحی و جذب افزوده‌ی سیالات وابسته به جهت انحنای دیواره است. در حالی که علامت این کمیت‌ها برای هر دو سوی دیواره یکسان است. بررسی‌ها حاکی از وجود یک رابطه ی خطی بین کشش بین سطحی سیالات در دو سوی دیواره و همچنین جذب افزوده‌ی سیالات در دو سوی دیواره است. علاوه براین مطالعات نشان می دهد که این رابطه خطی بین کشش بین سطحی و جذب افزوده در هر سوی دیواره همواره برقرار است.