含离子溶液蒸发过程的分子动力学研究

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液面蒸发是一种普遍存在的物理现象。本文从微观角度出发,采用分子动力学方法对热力学平衡态时的汽液共存体系进行研究,重点关注汽液界面的分子行为,发现分子碰撞汽液界面过程中会出现大量的反射行为,通过特征时间法将其分为反射过程和凝结再蒸发过程,并利用周期性边界条件对离子在液相中的分布进行控制,构建了可模拟含离子溶液的蒸发模型,以此对单质液体和含离子溶液的蒸发过程进行研究。研究表明,蒸发模型的汽相空间尺寸、液膜厚度、时间步长等因素都会对模拟过程产生较大影响,而系统切片数则影响较小;模拟过程中每一个分子动力学步都存在较大的数值涨落,在靠近三相点附近的低温范围内难以获得较为准确的模拟数值。研究发现,温度对汽液界面处的分子行为影响很大,随着温度的升高,分子运动加剧,界面碰撞分子数量不断增加,相应的,分子反射行为也越来越频繁,从而导致液体的蒸发系数逐渐减小;由于相变速率是由碰撞界面分子数和蒸发系数决定的,随着温度的升高,碰撞界面分子数量变化的程度要强于蒸发系数,所以液体的相变速率表现为温度的增函数;离子的存在对界面碰撞分子数量影响不大,但会导致液体蒸发系数降低,随着离子含量增加,蒸发系数降低越明显,因此离子溶液的相变速率是离子浓度的减函数。本文还对含离子溶液的蒸发过程进行了宏观角度的实验研究,结果表明:随着温度的升高,液体表面蒸发速率逐渐增加;离子的存在降低了液体的蒸发速率,并且随着离子含量的增加,液体蒸发速率逐渐减小;离子种类的不同对蒸发的影响程度差别较大,实验结论与微观分子动力学模拟结果一致。
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