Critical Behavior and Crossover Effects in the Properties of Binary and Ternary Mixtures and Verification of the Dynamic Scaling Conception
Kritisches Verhalten und Crossover Effekte in den Eigenschaften Binärer und Ternärer Gemische sowie Verifizierung des Konzeptes der Dynamischen Skalierung
Iwanowski, Ireneusz
Doctoral thesis
Date of Examination:
2007-11-07
Date of issue:
2008-03-18
Advisor:
Kaatze, Udo Dr.
Referee:
Lauterborn, Werner Prof. Dr.
Referee:
Schmidt, Christoph F. Prof. Dr.
Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000D-F132-2
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4,8 MB
Format:
PDF
Description:
Dissertation
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Abstract
English
Ultrasonic attenuation spectra in the frequency range between 180 kHz and 500 MHz, dynamic light scattering and shear viscosity measurements of a variety of liquids exhibiting a demixing point have been measured are discussed with respect to their critical properties. Evaluating the experimental data for liquid mixtures of critical composition particular attention is given to the applicability of Bhattacharjee-Ferrell dynamic scaling model and to corrections for the effects from the crossover from Ising to mean-field behavior. Three types of critical liquids have been considered: binary mixtures without complex background contributions in their ultrasonic spectra (n-pentanol-nitromethane, nitroethane-cyclohexane, nitroethane-3-methylpentane, methanol-hexane, and ethanol-dodecane), binary mixtures with additional relaxations in the time domain of critical fluctuations (2,6-dimethylpyridin-water, isobutoxyethanol-water, triethylamine-water), and ternary mixtures with concentrations selected along the plait-point line (nitroethane-3-methylpentane-cyclohexane). With the latter system interest is particulary directed to the dependence of critical parameters upon the concentration of a constituent. The results clearly demonstrate that the Bhattacharjee-Ferrell theory and the crossover theory nicely represent the experimental ultrasonic attenuation spectra as well as the shear viscosity and dynamic light scattering data. This is true for both binary and ternary mixtures. It is shown that use of the Bhattacharjee-Ferrell model for the analytical representation of the critical part in the ultrasonic attenuation spectra of more complicated binary systems such as isobutoxyethanol-water and 2,6-dimethylpyridin-water allows for a favourable description of further relaxation terms. With the assumption that the contributions from chemical relaxations contribute additively to the critical contributions the ultrasonic spectra as well as the scaling function of the critical systems can be well represented in terms of the Bhattach arjee-Ferrell model. In the case of triethylamine-water it is demonstrated that the experimental scaling function agrees with the Bhattacharjee-Ferrell function only, when both Debye relaxation terms are allowed slow down near the critical point. The experimental results are complemented by density and sound velocity measurements.
Keywords: critical mixture; binary mixture; ternary mixture; system; Bhattacharjee-Ferrell; crossover theory; dynamic scaling function; ultrasonic; spectroscopy; dynamic light scattering; relaxation rate; characteristic relaxation rate; critical slowing down; chemical relaxation; surface tension; Debye; col point; plait point
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Es werden Messungen an kritischen
Flüssigkeiten, die mit Hilfe der Ultraschallabsorptionsverfahren im
Frequenzbereich zwischen 180 kHz und 500 MHz, der dynamischen
Lichtstreuung und der Scherviskosität durchgeführt wurden,
diskutiert. Der Schwerpunkt der Studien bestand in der
Verifizierung der Anwendbarkeit des Bhattacharjee-Ferrell Modells
der Dynamischen Skalierungshypothese und der aus der
„Crossover“-Theorie stammenden Korrekturen für den Übergang vom
„Ising“ in den „Mean-Field“ Bereich. Drei Arten von kritischen
Lösungen wurden hierzu untersucht: binäre Gemische ohne zusätzliche
Hintergrundsanteile in den Ultraschallabsorptionsspektren
(n-Pentanol-Nitromethan, Nitroethan-Cyclohexan,
Nitroethane-3-Methylpentan, Methanol-Hexan, und Ethanol-Dodecan),
binäre Gemische mit zusätzlichen Relaxationstermen im Zeitbereich
der kritischen Fluktuationen (2,6-Dimethylpyridin-Wasser,
Isobutoxyethanol-Wasser, Triethylamin-Wasser) und ternäre Gemische
des Systems Nitroethane-3-Methylpentane-Cyclohexane mit
Konzentrationen entlang der „Plait Point Line“. Im Falle des
ternären Systems sind die Untersuchungen auf den Verlauf der
kritischen Parameter in Abhängigkeit von der Konzentration einer
Komponente fokussiert. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen deutlich,
dass das von Bhattacharjee-Ferrell vorgeschlagene Modell und die
„Crossover“-Theorie sowohl die Ultraschallabsorptionsspektren wie
auch die Daten der dynamischen Lichtstreuung und der
Scherviskositätsmessungen sehr gut beschreiben. Es wird ebenfalls
gezeigt, dass das Bhattacharjee-Ferrell Modell auch bei
komplizierten binären Systemen, solchen wie
2,6-Dimethylpyridin-Wasser und Isobutoxyethanol-Wasser, die
Beschreibung der Spektren erlaubt. Ferner wird demonstriert, dass
unter der Annahme, dass chemische Relaxationen additiv zu den
Spektren beitragen, die theoretische dynamische Skalierungsfunktion
von Bhattacharjee und Ferrell von den experimentellen Daten sehr
gut bestätigt wird. Im Falle des kritischen Systems
Triethylamin-Wasser wird gezeigt, dass die experimentell e
Skalierungsfunktion nur wenn die kritische Verlangsamung in der
Nähe des kritischen Punktes beider Debye-Relaxationsterme
zugelassen wird, den theoretischen Verlauf erfüllt. Die
experimentellen Befunde wurden ergänzt mit Dichte, und
Schallgeschwindigkeitmessungen.
Schlagwörter: kritische Gemische; binäre Flüssigkeiten; ternäre Flüssigkeiten; dynamische Skalierungsfunktion; Ultraschallabsorptionsverfahren; Spektroskopie; dynamische Lichtstreuung; Relaxationsrate; charakteristische Relaxationsrate; kritische Verlangsamung; chemische Relaxation
