CC BY
15ш
International journal of theoretical and practical research
Scientific Journal
Year: 2022 Issue: 2 Volume: 2 Published: 28.02.2022
http://alferganus.uz
Citation:
Nasirov, T.Z., Toxirova, G. S. (2022). The diffusion as the investigation object in optic materials. SJ
International journal of theoretical and practical research, 2 (2), 65-72.
Насиров, Т.З., Тохирова, Г. С. (2022). Диффузия как объект исследования в оптических материалах. Nazariy va amaliy tadqiqotlar xalqaro jurnali, 2 (2), 65-72.
Doi:
https://dx.doi.org/10.5281/zenodo.6466356
SJIF 2022:5.962 QR-Article
Nasirov, Tulkun Zakirovich
associate Professor, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, University of the geological sciences; Tashkent state technical university E-mail: tulkunnasirov@yandex. ru
Toxirova, Go'zal Sadullayevna
master student, Tashkent state technical university
DOI 10.5281/zenodo .64663 56
UDC 536
THE DIFFUSION AS THE INVESTIGATION OBJECT IN OPTIC
MATERIALS
Abstract: The temperature dependence of diffusion effect demonstration of Permanganate Potassium in the water solution by temperatures range 5+85 oC with 10 oC interval has been investigated. The experiments in the home conditions by the constant and normal air pressure have been carried out. It has been shown that the dynamics of diffusion effect demonstration has an increasing character on the temperature growing with the monotonic decreasing on time dependence. It has been revealed that if on the relative lower temperatures (0+20 oC) for total realization of the diffusion is required about 40 minutes at the same time on the relative higher temperatures (60+90 oC) for this process is enough even about 3 minutes.
Keywords: diffusion, temperature, pressure, water solution, exponential law
ДИФФУЗИЯ КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОПТИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛАХ
Насиров Тулкун Закирович
доцент, кандидат физико-математических наук Университет геологических наук; Ташкентский государственный
технический университет, Тохирова Гузал Саъдуллаевна
магистрант
Ташкентский государственный технический университет,
65
Аннотация: Исследована температурная зависимость проявления эффекта диффузии калия перманганата в водном растворе при температурах от +5оС до +85оС с интервалом по 10оС. Эксперименты проводились в домашних условиях при постоянном и нормальном давлении. Показано, что с повышением температуры динамика проявления эффекта диффузии имеет возрастающий характер с монотонно убывающей от времени зависимостью. Выявлено, что, если при сравнительно низких температурах (0+20 оС) для полной реализации диффузии потребуется около 40 минут, то при сравнительно высоких температурах (60+90 оС) для этого достаточны даже около 3 минут.
Ключевые слова: диффузия, температура, давление, водный раствор, экспоненциальный закон
ДИФФУЗИЯ - ОПТИК МАТЕРИАЛЛАРДА ИЗЛАНИШ ОБЪЕКТИ
СИФАТИДА
Насиров Тулкун Закирович
доцент, физика-математика фанлари номзоди, Геология фанлари университети; Тошкент давлат техника университети,
Тохирова Гузал Саъдуллаевна
Магистрант, Тошкент давлат техника университети
Аннотация: Калий перманганатнинг сувдаги эритмасида диффузия эффекти намоён булишининг уароратга боглицлиги +5оС дан +85оС гача булган оралицда 10 оС ли цадам билан урганилди. Экспериментлар уй шароитида узгармас ва меъёрий босимда олиб борилди. Х,арорат ортиши билан диффузия эффектининг намоён булиши динамикасида усиш уамда унинг давомийлигининг вацт буйича монотон камайиши кузатилди. Нисбатан паст уароратлар (0+20 оС)да диффузиянинг намоён булиши учун 40 дацица атрофида вацт талаб этилиши, юцорироц уароратлар (6+90 оС)да эса бунинг учун тахминан 3 дацицанинг кифоя цилиши курсатилди.
Калит сузлар: диффузия, уарорат, босим, сувдаги эритма, экспоненциал цонун
Введение
В целях дальнейшего усиления роли академической науки в инновационном развитии экономики, повышения престижа и совершенствования деятельности Академии наук, формирования единой системы управления и регулирования научно-исследовательской и инновационной деятельности, а также повышения роли науки в социально-экономическом развитии Республики Узбекистан было принято [1] Постановление Президента Республики Узбекистан от 17 февраля 2017 года №ПП-2789 О мерах по дальнейшему совершенствованию деятельности Академии наук, организации, управления и финансирования научно-исследовательской деятельности, где было отмечено приоритетность проведения
66
ЭЛР 2022:5.962
фундаментальных, прикладных и инновационных научных исследований в области естественных, технических и общественно-гуманитарных наук.
В последние годы резко увеличился спрос на оптические материалы. Это связано с тем, что в строительных сооружениях стали чаще использовать прозрачные строительные материалы. Среди многих особенностей таких материалов по сравнению с другими видами стройматериалов следует отметить, что в оптических материалах эффект диффузии проявляется больше и в связи с этим он широко применяется в технологических процессах.
Именно поэтому представляет широкий интерес исследовать зависимость проявления процесса диффузии от различных параметров в оптических материалах, применяемых в современных производственных технологиях.
Целью проведенных исследований является исследование проявления диффузии в оптических материалах в зависимости от температуры. В связи с тем, что большинство современных оптических материалов находятся в твердом аморфном состоянии, в которых диффузия проявляется сравнительно медленно и их исследование требует длительных опытов, в наших экспериментах в качестве объекта исследований выбрали раствор перманганата калия в дистиллированной воде.
При этом для реализации данной цели мы перед собой поставили выполнение ряда задач, а именно:
✓ изучение динамики проявления диффузии на примере перманганата калия в дистиллированной воде;
✓ получение экспериментальной зависимости длительности проявления диффузии от температуры.
Анализ тематической литературы
Данная отрасль в настоящее время изучается достаточно интенсивно и в научной литературе. Например, в работе [2] был проанализирован метод расчета коэффициента диффузии 1-1-валентных ионных поверхностно активных веществ (ПАВ) как функции концентрации мицеллярных растворов ПАВ в рамках квазихимического варианта закона действия масс, где были представлены соотношения для двухчастичного (без учета мицелл) и трехчастичного (с мицеллами) формализмов. В работе [3] были получены результаты о повышении локальной интегрируемости и непрерывности плотностей решений стационарных уравнений Колмогорова с матрицами диффузии низкой регулярности и локально неограниченными коэффициентами сноса. В работе же [4] было показано, что стохастическое дифференциальное уравнение с шумом Леви имеет единственное решение в случае разрывности коэффициента переноса.
В одномерном приближении диффузия хитозановой пленки в окружающую среду была рассмотрена в работе [5], где определялась средняя концентрация вещества в пластыре в различные моменты времени. В работе [6] было проведено исследование инициированного диффузией вакансий перемещения примесного атома по гексагональной решетке типа "пчелиные соты" на поверхности твердого тела. Было показано, что при больших временах зависимость среднеквадратичного
67
SJIF 2022:5.962
смещения от времени мало отличается от линейной, а пространственное распределение плотности близко к гауссову, что позволяет ввести коэффициент диффузии.
Для сингулярно возмущенного эллиптического уравнения конвекции-диффузии с возмущающим параметром е (е 6 (0, 1]), рассматриваемого на прямоугольнике, был рассмотрен в работе [7], где было выявлены условия, накладываемые на разностную схему, при которой решения сохраняют устойчивость. В работе [8] были рассмотрены локально-одномерные разностные схемы для уравнения диффузии дробного порядка с переменными коэффициентами в области сложной формы, где были исследованы устойчивость и равномерная сходимость локально-одномерных схем для рассматриваемой задачи.
В работе [9] была рассмотрена задача идентификации для стационарного нелинейного уравнения конвекции-диффузии-реакции, в котором коэффициент реакции зависит от концентрации вещества. С помощью оптимизационного метода задача свелась к обратной экстремальной задаче и была доказана разрешимость краевой и экстремальной задач. Для уравнения дробной диффузии в работе [10] была исследована нелокальная краевая задача первого рода. Имеется также работа
[11], в котором коэффициенты диффузии рассчитывались с использованием экспериментальных данных по временной и глубинной зависимостям состава поверхностного слоя, полученным методами электронной оже-спектроскопии и вторично-ионной масс-спектрометрии. Результаты расчетов свидетельствовали о сильной температурной зависимости коэффициентов диффузии.
Использование диффузии в оптических материалах был рассмотрен в работе
[12], где была представлена диффузионная кинетическая модель оптической деградации светодиодов, одним из механизмов которой является диффузия атомов примеси в активную область гетеропереходной полупроводниковой структуры. Была рассмотрена возможность получения зависимости изменения концентрации атомов примеси в активной области гетероструктуры светодиода и зависящей от нее квантовой эффективности светодиода от времени старения прибора.
В качестве практического применения диффузии к области медицины был рассмотрен в работе [13], где эффективный коэффициент был определен диффузией 40%-раствора глюкозы в ткани слизистой десны человека in vitro, в котором полученные значения расчетов варьировались в интервале (4.1±0.8)10 -6 см2/с. В данной работе использованный метод был основан на регистрации кинетики изменения спектров диффузного отражения и применения модели свободной диффузии.
Метод исследования процессов массопереноса в пористых средах, позволяющий проводить оперативный контроль коэффициента диффузии в тонких изделиях без их разрушения и в отсутствие предварительной градуировки применяемого измерителя концентрации диффузанта, был рассмотрен в работе [14], в котором он обеспечивает повышение точности измерения искомой характеристики массопереноса за счет возможности выбора входящих в расчетное выражение измеряемых параметров на участках статической характеристики преобразователя с высокой чувствительностью и помехозащищенностью.
68
SJIF 2022:5.962
Разработка информационно-измерительной системы, обеспечивающей повышение производительности исследований диффузии полярных растворителей в пористых средах была изучена в работе [15], где была рассмотрена информационно-измерительная система, предназначенная для реализации методов неразрушающего контроля коэффициента диффузии в тонколистовых и массивных изделиях из изотропных и анизотропных пористых материалов при одностороннем доступе к плоским поверхностям изделий заданных размеров.
Следует отметить, что в перечисленных работах, в основном, исследования имеют теоретический характер и в них сравнительно мало уделено внимания относительно экспериментальных исследований.
В настоящей работе экспериментально исследована зависимость проявления процесса диффузии в дистиллированной воде калия перманганата (KMnO4) от температуры при нормальном и постоянном давлении окружающей среды путем изучения зависимости значения относительного показателя преломления от времени.
Методология исследования
Эксперименты проводили в лабораторных условиях. Для наблюдения проявления диффузии в качестве рабочей посуды использовали прямоугольную акриловую ванну размером 180x80x65 см, куда после закрытия нижней крышки высотой 60 см заливали дистиллированную воду. При этом температуру воды варьировали в диапазоне от +5оС до +95оС с интервалом по 10оС. Горячую температуру воды получали электрической плитой. Давление окружающей среды поддерживалась при 724 мм.рт.ст с помощью кондиционера.
Далее в воду с одного края ванны добавили единожды 2 грамма калия перманганата и подождали время до тех пока не получился однородный цвет по всему объему и зафиксировали промежуток времени для получения однородного раствора для каждой первоначально выбранной температуры воды.
Зависимость времени проявления диффузии т от температуры воды t представлена на рис.1.
© ®
69
INTERNATIONAL JOURNAL OF THEORETICAL AND PRACTI RESEARCH ^
70:
0
20
40
60
100
t, oC
Рис.1. Зависимость времени проявления диффузии от температуры воды.
Анализ и результаты
Как видно из рисунка, что с повышением температуры воды время установления однородного цвета в водном растворе перманганата калия уменьшается, причем эта зависимость напоминает монотонное асимптотическое убывание времени проявления эффекта диффузии.
Из рисунка можно заметить также, что с повышением температуры динамика проявления эффекта диффузии имеет возрастающий характер с монотонно убывающей от времени зависимостью. А точнее, если при сравнительно низких температурах (0^20 оС) для полной реализации диффузии потребуется около 40 минут, то при сравнительно высоких температурах (60^90 оС) для этого достаточны даже около 3 минут.
Отсюда следует, что процесс проявления диффузии сильно зависит от температуры раствора и после установления однородного раствора процесс проявления диффузии можно считать несущественным.
Заключение и рекомендации
Таким образом, в настоящей работе исследовали проявление диффузии в прозрачных жидких оптических материалах в зависимости от времени и температуры. В экспериментах в качестве объекта исследований выбрали раствор перманганата калия в дистиллированной воде. Задачами проведенных исследований являлись изучение динамики проявления диффузии на примере перманганата калия в дистиллированной воде и получение экспериментальной зависимости длительности проявления диффузии в интервале температур от 5 до
Показано, что с повышением температуры как следствие диффузии время установления однородного цвета в водном растворе перманганата калия
95 оС.
© ®
ЭЛР 2022:5.962
уменьшается, причем эта зависимость напоминает монотонное асимптотическое убывание продолжительности проявления эффекта диффузии.
Что же касается сравнительно низких температур (0+20 оС), то при этом время для установления однородного раствора составляет около 35-40 минут, в то время как при сравнительно высоких температурах (70+90 оС) оно уменьшается до значений 3-5 минут.
Отсюда следует, что процесс проявления диффузии сильно зависит от температуры раствора и после установления однородного раствора процесс проявления диффузии можно считать несущественным.
Полученные в данной работе результаты, возможно, найдут применение при составлении реальной картины проявления диффузии, а также могут быть использованы при построении реальной теоретической модели диффузии с современными оптическими материалами.
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта № ИЛ-432105684 Министерства инновационного развития Республики Узбекистан
Список использованной литературы:
1. Постановление Президента Республики Узбекистан от 17 февраля 2017 года №ПП-2789 «О мерах по дальнейшему совершенствованию деятельности Академии наук, организации, управления и финансирования научно-исследовательской деятельности».
2. Мовчан Т.Г., Русанов А.И. & (2016). Плотникова Е.В. Расчетные аспекты коэффициентов диффузии в мицеллярных растворах ионных ПАВ. Коллоидный журнал, 78 (6), 750-759.
3. Богачев В.И. & Шапошников С.В. (2016). Интегрируемость и непрерывность плотностей стационарных распределений диффузий. Доклады академии наук, 469 (1), 7-12.
4. Богачев В.И. & Пилипенко А.Ю. (2016). Сильные решения стохастических уравнений с шумом Леви и непостоянным коэффициентом диффузии. Доклады академии наук, 469 (5), 532-534.
5. Сыромясов А.О. (2016). Решение обратной задачи одномерной диффузии лекарственного вещества из хитозановой пленки. Журнал СВМО, 18 (1), 108117.
6. Простнев А.С. & Шуб Б.Р. (2016). Диффузия атомов в плотном адсорбированном слое с гексагональной структурой. Химическая физика, 35 (5), 91-96.
7. Шишкин Г.И. (2016). Стандартная схема для сингулярно возмущенного эллиптического уравнения конвекции диффузии на прямоугольнике при компьютерных возмущениях. Доклады академии наук, 467 (3), 271-274.
8. Баззаев А.К. & Шхануков-Лафишев М.Х. (2016). Локально-одномерные схемы для уравнения диффузии с дробной производной по времени в области
© ®
71
и
произвольной формы. Журнал вычислительной математики математической физики, 56 (1), 113-123.
9. Алексеев Г.В., Бризицкий Р.В. & Сарицкая Ж.Ю. (2016). Оценки устойчивости решений экстремальных задач для нелинейного уравнения конвекции-диффузии-реакции. Сибирский журнал индустриальной математики, XIX, 2 (66), 3-16.
10. Лосанова Ф.М. (2019). Задача с локальным смещением для уравнения дробной диффузии. Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки, 29 (4), 28-34. DOI: 10.26117/2079-6641-2019-29-4-28-34.
11. Люев В.К. & Кармоков А.М. (2016). Коэффициент диффузии и энергии активации диффузии легирующих элементов в поверхностном слое монокристалла кремния. Modern high technologies, 5, 262-265.
12. Фролов И.В., Ходаков А.М., Сергеев В.А. & Радаев О.А. (2018). Оптическая деградация InGaN/GaN светоизлучающего диода, вызванная диффузией атомов примеси. Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, 18 (1), 33-36.
13. Селифонов А.А. & Тучин В.В. (2020). Определение коэффициента диффузии 40 %-ной глюкозы в ткани десны человека оптическим методом. Оптика и спектроскопия, 128 (6), 760-765.
14. Беляев В.П., Мищенко С.В., Беляев П.С. (2019). Исследование коэффициента диффузии в тонких изделиях из порыстых материалов. Журнал технической физики. 89 (10), 1630-1634.
15. Беляев В.П., Варепо Л.Г., Беляев П.С. & Дивин А.Г. (2019). Информационно-измерительная система для определения коэффициента диффузии растворителей в изделиях из капиллярно-пористых материалов. ЮжноСибирский научный вестник, 3, 9-14. DOI 10.25699/SSSB.2019.27.37200.
72
