[论文解读] An Analytic Model for Nano Confined Fluids Phase-Transition (Applications for Confined Fluids in Nanotube and Nanoslit)

Ezat Keshavarzi, R. Sohrabi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2018

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 4被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于统计力学微扰理论的解析模型，用于预测纳米受限流体中的相变，考虑了壁面诱导的自由度和张量压力。结果表明，临界温度随纳米受限尺寸减小而升高，并在系统尺寸增大时渐近趋近于体相值；同时，该模型还捕捉到了纳米管和纳米狭缝中相变过程的局部密度和相分离现象。

ABSTRACT

In this report, an analytic model to predict phase transitions of confined fluids in nano systems is presented and it is used to predict the behavior of the confined fluid in nanotubes and nanoslits. In our approach besides including a third degree of freedom due to wall effect to define the state of the system, the tensorial character for pressure is considered. Using the perturbation theory of statistical mechanics it is shown that the van der Waals equation of state is equally valid for small as well as large systems. The model proposed is shown to predict the liquid-vapor phase transition as well as the critical point in any size confined fluid systems. It is also shown that the critical temperature increases with the size of the nano system and finally it reaches the macroscopic critical temperature value as the diameter of the nanotube (or width of the nanoslit) approaches infinity. The proposed model can also demonstrate the existence of the local density and phase fragmentations during phase transitions in a confined nano system.

研究动机与目标

• 开发一种用于预测纳米尺度受限条件下（如纳米管和纳米狭缝）流体相变的预测性解析模型。
• 通过引入由于壁面效应引起的第三个自由度，纳入壁面影响。
• 利用统计力学微扰理论，将范德华态方程的适用范围扩展至小系统和大系统。
• 分析系统尺寸对受限流体临界温度和相行为的影响。
• 捕捉纳米受限系统中相变过程的局部密度和相分离现象。

提出的方法

• 应用统计力学微扰理论，推导受限流体的态方程。
• 通过引入额外的自由度来描述受限状态下系统的状态，以体现壁面效应。
• 考虑纳米受限系统中压力的张量性质，以反映各向异性的力。
• 利用微扰理论将范德华态方程适应于纳米尺度系统。
• 利用该模型预测受限几何结构中液-汽相变及临界点。
• 对临界温度随纳米管直径和纳米狭缝宽度的变化关系进行数值与解析分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 纳米受限如何影响流体的临界温度？
• RQ2 能否通过统计力学方法一致地将范德华态方程应用于纳米受限流体？
• RQ3 壁面诱导的自由度在受限流体相行为中起什么作用？
• RQ4 压力的张量特性如何影响纳米尺度系统中相变的预测？
• RQ5 在纳米受限流体相变过程中，局部密度和相分离现象在多大程度上出现？

主要发现

• 受限流体的临界温度随系统尺寸减小而升高，尤其在狭窄的纳米管或纳米狭缝中更为显著。
• 当纳米管直径或纳米狭缝宽度趋近无穷大时，临界温度收敛至宏观值。
• 该模型成功预测了纳米管和纳米狭缝中液-汽相变，采用的是修正的范德华态方程。
• 引入壁面诱导的自由度和张量压力显著提高了对纳米受限系统中相变预测的准确性。
• 该模型揭示了在受限纳米结构中相变过程中存在局部密度和相分离现象。
• 微扰理论方法证实了范德华态方程在受限条件下对小系统和大系统均具有有效性。