Theoretische und experimentelle Untersuchung der gaskinetischen Nichtgleichgewichtsvorgänge bei der Verdampfung von Kondensaten von Jod

Im Rahmen der hier durchgeführten Arbeit wird ein gaskinetisches Strömungs- modell eingeführt, das geeignet ist intensive Verdampfungs- und Kondensations- vorgänge zu beschreiben. Es wird eine diskontinuierliche Geschwindigkeitsvertei- lungsfunktion angesetzt, die auf geeignete Welse die Annahmen erfüllt, dte über die Bewegung der an den Oberflächen verdampfenden und kondensierenden Molektile getroffen werden.

Bei der eindimensionalen Verdampfung und Kondensatlon läft sich die Strömung maximal in drei verschledene 8ereiche unterteilen. In der Nähe der verdampfenden und der kondensierenden Oberfläche stellen sich jeweils Grenzschichten eln. Knudsenschicht genannt, in denen starke Abweichungen vom thermodynamischen Gleichgewicht vor1Iegen. In weiterem Abstand zu den Oberflächen gehen dlese Nichtgleichgewichtsvorgänge in eine Kontinuumsströmung über, in der die Navier - Stokes - Gleichungen gültig sind. In diesem Fall kann die Verdampfung getrennt von der Kondensation untersucht werden. Dle Eignung der in der Literatur vorllegenden Verdampfungsmodelle wlrd im allgmeinen an den Zustands- größen der Kontinuumsströmung gemessen. Ein Verglelch der hier entwickelten Theorie zeigt diesbezüglich eine gute Übereinstimmung mit den in der Literatur vorliegenden Daten und mit dem Experiment.

Erst bei einer vollständigen Berechnung der ortsabhängigen Zustandsgrößen innerhalb der Knudsenschicht unterschelden sich dle Ergebnisse der elnzelnen Verdampfungsmodelle. So werden die berechneten Verläufe der Teilchendichten. der Temperaturen, der makroskopischen Geschwindtgkeiten sowie der Strömungs- machzahlen mit den Ergebnissen früherer Arbeiten für den Fall der Intensiven Verdampfung verglichen. Aufgrund verschiedener Annahmen bezüglich der dem Problem zugrundeliegenden Geschwindigkeitsverteilungsfunktion und wegen der unterschiedlichen Lösungsverfahren welchen dle Ergebnisse im wesentlichen in der räumlichen Ausdehnung der Nichtgleichgewichtsbereiche voneinander ab.

Wird die mittlere freie Weglänge der Moleküle groß im Verhältnis zu dem Abstand der verdampfenden und kondensterenden Oberflächen, d.h. mlt steigender Knudsenzahl, dann sind die beiden Nichtgleichgewichtsbereiche nicht mehr durch eine ausgeprägte Kontinuumsströmung getrennt. Die Knudsenschichten der Verdampfung und Kondensation gehen dann nahtlos ineinander über, so daß Verdampfung und Kondensation nicht mehr unabhängig vonelnander untersucht werden können. Diese Problemstellung wird ebenfalls mit dem hier vorgestellten Verdampfungsmodell theoretisch untersucht. Dabei wird über die Kondensation angenommen, daß alle auf die Oberfläche auftreffenden Moleküle von dieser absorbiert werden. Diese Annahme wird im Experiment bestätigt.

Im Experiment wird überprüft, ob das hier entwickelte Modell geeignet ist, die wesentlichen Zusammenhänge der Verdampfung und Kondensation zu beschreiben. Erst der Einsatz kontinuier)ich durchstimmbarer Laser ermöglicht es unter Anwendung der Fluoreszenzspektroskopie berührungsfrete Messungen innerhalb der Knudsenschicht durchzuführen. Die untersuchte Strömung wird durch die Verdampfung und Kondensation von festem Jod zwischen zwei parallelen Platten erzeugt. Die sorgfältige Auslegung der Meßzelle gewährleistet eine eindimensio- nale Strömungsausbreitung. daher ist erstmals ein Vergleich des Experiments mit den unterschiedlichen eindimensionalen Theorien möglich.

Es werden eine Reihe von Messungen durchgeführt, bei denen die Temperatur der verdampfenden Oberfläche und somit die Dicke der Knudsenschichten variiert werden. Der unterschiedliche Plattenabstand zweier Versuchsanordnungen ermög- licht sowohl die Untersuchung der Verdampfung mit anschließender Kontinuums- strömung, wie auch den Fall, daß die Verdampfung nahtlos in die Kondensati übergeht. Drei verschiedene Auswerteverfahren werden vorgeschlagen. von denen ein Verfahren besonders zum Einsatz kommt, da es ohne jegliche Annahmen bezüglich der Geschwindigkeitsverteilungsfunktion makroskopische Daten liefert, die sich direkt mit den Ergebnissen der verschiedenen Theorien vergleichen lassen.

In der Literatur wird zwischen der Verdampfung von flüssigen und festen Phasen unterschieden. Im Gegensatz zu Flüssigkeiten hat die Oberflächenstruktur von Festkörpern einen starken Einfluß auf den Verdampfungsablauf. Durch die Einführung eines Verdampfungskoeffizienten wird dieser Effekt In dem hier entwickelten Modell berücksichtigt. Im Experiment wird der Verdampfungskoef- fizient bestimmt.

Die ausgewerteten Verläufe der Teilchendichte, der makroskopischen Geschwindig- keit, der Temperaturen, der Strömungsmachzahl sowie der Massen- und Impuls- ströme zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der vorliegenden Theorie. Das hier entwickelte Verdampfungsmodell ist in der Lage, die untersuch- ten Strömungszustände der Verdampfung und Kondensation unter den im Experi- ment vorliegenden Bedingungen auch innerhalb der Nichtgleichgewichtsbereiche zufriedenstellend zu beschreiben.