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博碩士論文 etd-0720101-160328 詳細資訊
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論文名稱
Title
氣泡與水冰界面成形現象研究
pores in the interface of water and ice
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
76
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee

口試日期
Date of Exam
2001-06-29
繳交日期
Date of Submission
2001-07-20
關鍵字
Keywords
濃度、氣孔
concentration, pores
統計
Statistics
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中文摘要
摘要

本研究主要探討固液介面的濃度變化量測,利用數值模擬的方法以及實驗量測再配合介面氣孔生成的現象。利用以得的濃度變化情形來得知瞬間氣孔結晶的臨界半徑值,而後得知The Gibbs free energy and The Helmholtz function 的變化。利用以上的變化值便可預知每一種不同濃度的實驗介面氣孔生長的情形。
由以上的實驗照片再配合各種理論,可大膽地預測固化時介面氣孔生成的原因是氣氣孔生成附近的濃度大於此地區的氣體溶解度。由本文可知,純水中溶有氧氣過冷結冰,冰水介面薄小的邊界層快接近平衡時,過飽和率約為16,k值約為0.065;純水中溶有二氧化碳過冷結冰,冰水介面薄小的邊界層快接近平衡時,過飽和率約為5.5,k值約為0.15。
固化速度約為4×10-6(m/s)時,介面的氣孔半徑約在0.05mm∼0.5mm的範圍,而理論的臨界半徑約在0.1mm∼0.0046mm的範圍。
由以上數值範圍可知,本實驗所取得的氣孔實體是在合理的範圍內。
Abstract
Abstract
The study is mainly talking about the interface’s concentration change of the solid(ice)-liquid(water),using an experimental apparatus to measure the gas concentration ahead of the solidification front and building the numerical method to imitate it. When we got the result to match up the production of pores in the interface. With the known the interface’s concentration, we can known the critical radius(Rc) of the instant pores existing, then the change of Gibbs free energy (△G) and the change of Helmholtz function(△F). To project the situation of pores’ size and quantity from Rc, △G and △F.
From the above experimental pictures and other theories, we can predict gas pores appear during solidification, when the gas concentration in the liquid is higher than the gas solubility at a certain location. From the test, there’s super-cooling contained in liquid(Oxygen dissolute in pure water), when the thin boundary layer of the ice-water interface(an unmixed layer) is getting balanced, the supersaturated ratio is about 16, while the distribution coefficient(k) is about 0.065;the liquid(Carbon dioxide dissolute in pure water), the supersaturated ratio is about 5.5, while the distribution coefficient(k) is about 0.15.
The rate of solidification is about 4×10-6(m/s), the range pores’ radius in the interface is about 0.05mm∼0.5mm,and the critical radius’ range of theory is about 0.0046mm∼0.1mm. From the above value’s range, the pores’ radius from the picture of this test is reasonable.
目次 Table of Contents
目 錄

中文摘要 ………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要 ………………………………………………………………Ⅱ
謝誌 …………………………………………………………………Ⅲ
目錄 ……………………………………………………………………Ⅳ
符號說明 ……………………………………………………………….Ⅶ

第一章 緒論
1-1 前言 ………………………………………………………………1
1-2文獻回顧 ………………………………………………………….1
1-3研究目的 …………………………………………………………4

第二章 理論背景
2-1 亨利定律 ………………………………………………………….5
2-2 固化過程濃度變化之解析…….…………………………………6
2-3 建立模型方程式 ……………………………………………… 8
2-4 均相的結晶成長 ………………………………………………10
2-5 異相的結晶成長 ………………………………………………12
2-6 稀薄溶液的臨界半徑 ….………………………………………15
圖2-1 氣孔在介面的實際情形…………………………………………17
圖2-2 氣孔在固液介面的模型…………….……………………………17
表 2-1 亨利常數…………………………………………………………18
圖2-3 四種氣體在水中固化時介面的氣孔……………………………18
圖2-4 移動固液介面以上穩定擴散的液體濃度CL..…………………19
圖 2-5 固化過程中Ca ,Cs ,和Ct 的趨勢示意圖………………………. 19
圖2-6 一維固化過程簡單的示意圖(固液介面視為平面)……………..20
表 2-2 三種不同濃度(氧氣溶於水中)測試管中各處的濃度及配合圖..20
圖 2-7 過飽和的情況下結晶水滴之臨界半徑與
GIBBS FREE ENERGY 的變化情形……………………….. 21
圖 2-8 純水及水溶液和冰的 chemical potential
與溫度配合的示意圖 ………………………………………21
圖 2-9 在液體/固體或氣體/固體的表面類似鏡片的結晶……………22
圖 2-10 臨界半徑(Rc)附近Helmholtz function 的變化情形…………22
圖 2-11 數值解與分析解的比較 ………………………………………23

第三章 實驗設備與步驟
3-1 實驗設備… ………………………………………………………24
3-2 實驗步驟…………………………………………………………27
圖3-1重要的設備-實圖 ………………………………………………29
圖 3-2 重要的設備-測視圖 .……………………………………………30
圖 3-3 The degassed water 固化時固液的介面 .……………………31
圖 3-4 PH值與二氧化碳溶解於水中的濃度(Co)之關係 …………32
表 3-1 Solubility in water (標準值與實驗值) ………………………33
表 3-2 Binary Diffusion Coefficient at One Atmosphere ……………….34
表 3-3 表面張力 (接近室溫)…...………………………………………34

第四章 實驗結果與討論
4-1 比較出water,degassed water,saturated water 三者(熱傳效果、
固化速度)的差異;以及不同濃度液體之對流效應的差別………35
4-2 觀察單一的氣孔如何的成長 ……………………………………36
4-3 如何決定k (the distribution coefficint)值 ……………………….37
4-4 臨界半徑(Rc)與相片圖中氣孔的關係………………………….38
圖4-1 冰水介面固化情形……………………………………………….41
圖4-2 Comparison of the interface location along the vertical line………41
圖4-3 water 與 degassed water 的熱傳比較…………………………..42
圖4-4 saturated water 與 degassed water 的熱傳比較…………………42
圖4-5 二氧化碳溶於水中(Co=0.051gram/100g) 的對流效應 ………43
圖4-6 二氧化碳溶於水中(Co=0.079gram/100g) 的對流效應 ………43
圖4-7 二氧化碳溶於水中(Co=0.138gram/100g) 的對流效應 ………43
圖4-8 water 與 degassed water 固化時氣孔多寡的比較……………..44
圖4-9 saturated water 與 degassed water 固化時氣孔多寡的比較……45
圖 4-46 ∼圖 4-53 單一氣孔不同型態的成長……………………………..46
圖 4-22 ∼圖 4-26 各種不同濃度(氧氣溶於水中)取k值…………………50
圖 4-27 ∼圖 4-31 各種不同濃度(氧氣溶於水中)的全圖…………………52
圖 4-32 ∼圖 4-34 各種不同濃度(二氧化碳溶於水中)取k值……………55
圖 4-35 ∼圖 4-37 各種不同濃度(二氧化碳溶於水中)的全圖……………56
圖 4-10 ∼圖 4-21 四種氣體各種不同濃度(二氧化碳、氧氣、氫氣、氮氣溶於
水中)固化過程介面之氣孔照片………….……………58
圖 4-38 ∼圖 4-45 臨界半徑(Rc)與the change in helmholtz function ( F )
的相對關係…………………………………………….70
第五章 結論…………………………………………………………81
參考文獻 ……………………………………………………………..8
參考文獻 References
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