Некоторые теплофизические свойства 
лиофобных пористых систем

Сердунь Е.Н., Портяной Г.А., Сорокин А.П., Портяной А.Г.

Государственный научный центр Российской федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского, Обнинск, Россия

Проведенные исследования показали, что лиофобные системы (ЛС), представляющие собой сложную гетерогенную систему типа капиллярно-пористая матрица – несмачивающая (лиофобная) жидкость, обладают рядом уникальных теплофизических свойств:

	гипердилатометрия при плавлении;
	отрицательный температурный коэффициент объемного расширения;
	аномально высокая сжимаемость.

Изменение объема (дилатометрия) при плавлении традиционных веществ, например металлов, составляет величину от минус 3 до плюс 6 %. В ЛС дилатометрия при плавлении определяется в первую очередь величиной открытой пористости, при этом процесс выхода расплавившегося рабочего тела из пор при заметной (>5%) открытой пористости (П) является преобладающим. При высокой пористости дилатометрический эффект в ЛС составляет десятки процентов, что на порядок превосходит дилатометрию непосредственно рабочего тела.

Тепловое расширение в лиофобных системах также имеет ряд существенных отличий. Традиционные вещества (газы, жидкости, твердые тела) в основном обладают положительным температурным коэффициентом объемного расширения, т.е. вещества расширяются при нагревании. В ЛС проявляется еще один механизм – заполнение (освобождение) порового пространства, обусловленное температурной зависимостью величины поверхностного натяжения лиофобной жидкости.

На основе физических моделей ЛС с усеченными коническими порами качественно проанализированы основные закономерности поведения температурного коэффициента объемного расширения (ТКОР) ЛС с различными размерами пор и типами жидкостей (высокотемпературные органические теплоносители, жидкие металлы). Показано, что ТКОР определяется как параметрами самой матрицы (П, r), так и свойствами лиофобной жидкости (s, ds/dT). Поскольку ds/dT<0 для пористых жидкостей, то жидкость будет входить в поры ЛС при повышении температуры, т.е. в целом объем ЛС будет уменьшаться (b_ЛC<0). Для цилиндрических пор при достижении давления Лапласа бесконечно малое изменение температуры приводит к конечному изменению объема порового пространства.

Выполненные оценки показали, что в силу малой величины поверхностного натяжения органических жидкостей, у ЛС с такой рабочей жидкостью ТКОР по модулю значительно выше, чем у других типов лиофобных жидкостей (вода, жидкие металлы).

Традиционные простые жидкости обладают крайне малой величиной изотермич6еской сжимаемости (k_Т»4,5×10^-10 Па ^–1 для воды). При давлении, превышающем давление Лапласа, и начале заполнения пор, эффективная изотермическая сжимаемость ЛС резко возрастает и ее величина становится на несколько порядков выше сжимаемости непосредственно лиофобной жидкости (k_Т~10^-6 Па^-1 при r~1 мкм конической поры и П=0,9). Лиофобные системы с цилиндрическими монопорами обладают бесконечно большим коэффициентом эффективной изотермической сжимаемости.

Необычные теплофизические свойства ЛС позволяют создать на их основе новое поколение устройств различного функционального назначения, в том числе и для космической энергетики. Поскольку в настоящее время особое внимание уделяется повышению безопасности технологически и экологически опасных объектов, на основе ЛС был разработан и защищен патентами РФ ряд пассивных устройств по уровню температуры (патент РФ №2084750, №2086009, №2138086) и давления (патент РФ №.2187742). Показано, что использование таких устройств позволяет существенно (на порядки) снизить риск аварий с тяжелыми экологическими и экономическими последствиями.