تست عنوان
close
باشگاه نانو | آموزش | 1080
EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
1080
filereader.php?p1=main_a7f74322de86ec382

موضوع: نانومواد و نانوساختارها

فصل: نانوسیالات


بخش اول: نانوسیال و ویژگی های آن
بخش دوم: روش های تولید و بررسی پایداری نانوسیالات
بخش سوم: کاربردهای نانوسیالات
بخش چهارم: فروسیالات


بخش‌ اول: نانوسیال و ویژگی های آن


نویسندگان: مبینا کلهریان، الهام بدرآبادی



بیندیشیم:
اخیرا مشاهده شده که افزودن مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی) از نانوذرات مس یا نانولوله‌های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش 40 و 150 درصدی در هدایت گرمایی این سیالات ایجاد می‌کند؛ در حالیکه برای رسیدن به چنین افزایشی در سوسپانسیون‌های معمولی، به غلظت‌های بالاتر از ده درصد از ذرات احتیاج است. همین مساله و موارد مشابه سبب ایجاد دسته جدیدی از نانو مواد با قابلیت هدایت حرارتی عالی و پایداری بالا شده است که آنها را نانو سیالات می‌نامند؛ سیالاتی که ذراتی در ابعاد نانومتری در آنها سوسپانس شده است. حالا تصور کنید که به جای محلول‌های معمولی انتقال حرارت در دستگاه‌های مبرد و خنک کننده از این نانوسیالات با قابلیت انتقال حرارتی چنین بالا استفاده کنیم، به نظرتان راندمان تا چه حد افزایش می‌یابد؟ سرعت سردسازی تا چه اندازه بیشتر خواهد بود؟ به همه‌ی این موارد اصطکاک پایین این نانوسیالات را هم اضافه کنید که باعث کاهش خوردگی مجاری عبور سیال می‌شود و تاثیر به سزایی در انتقال هر چه بهتر سیال و همچنین کاهش خرابی مجاری و کاهش نیاز به بازرسی مکرر آنها دارد.

1- نانوسیال چیست

نانوسیالات که از توزیع ذرات با ابعاد نانو در سیالات معمولی حاصل می‌شوند، نسل جدیدی از سیالات با کاربردهای فراوان هستند. اندازه ذرات مورد استفاده در نانوسیالات از ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. این ذرات از جنس ذرات فلزی همچون مس، نقره و یا اکسید فلزاتی همچون آلومینیوم و اکسید مس و... هستند. توزیع نانوذرات در سیالات معمولی سبب بهبود خواص انتقال حرارت و یا به عبارت دیگر افزایش هدایت گرمایی سیالات می‌شود. سابقا برای افزایش ضریب هدایت حرارتی سیالات به آنها ذراتی با ابعاد میکرومتری افزوده می‌شد؛ این ذرات پایداری لازم در سوسپانسیون را نداشته و به سرعت ته نشین می‌شدند. این مساله باعث می‌شد که مجاری عبور سیال به سرعت مسدود گردد. در حالیکه ذرات با اندازه نانو، سوسپانسیون‌های بسیار پایدارتری تشکیل می‌دهند و پائین بودن سرعت ته نشینی آنها سبب می‌گردد که مشکل گرفتگی و انسداد مجاری به حداقل برسد. یکی از مواردی که بر پایداری نانوسیال تاثیر می‌گذارد، پدیده تشکیل خوشه یا تجمع است. عوامل مختلفی بر این پدیده تاثیرگذارند؛ اندازه ذرات، نوع ذرات، ویژگی‌های سیال پایه و روش تهیه نانوسیال از جمله این عوامل هستند. در برخی از تحقیقات، هدایت گرمایی نانوسیالات، چندین برابر بیشتر از پیش بینی تئوری‌ها است. از دیگر نتایج بسیار جالب، تابعیت شدید هدایت گرمای نانوسیالات و افزایش تقریبا سه برابری فلاکس گرمای بحرانی آنها در مقایسه با سیالات معمولی است. این تغییرات در خواص گرمای نانوسیالات فقط مورد توجه دانشگاهیان نبوده است، در صورت تهیه موفقیت‌آمیز و تایید پایداری، آنها می‌توانند آینده‌ی امیدوار کننده‌ای را در مدیریت گرما در صنعت رقم زنند. البته از سوسپانسیون نانوذرات فلزی، در دیگر زمینه‌ها از جمله صنایع دارویی و درمان سرطان نیز استفاده شده است.


2- نانوسیالات چه ویژگی هایی دارند؟

از ویژگی‌های اساسی نانوسیالات که تا به امروز گزارش شده‌‌اند می‌توان به هدایت گرمایی بیشتر نسبت به هدایت حرارتی سوسپانسیون‌های معمول؛ نسبت غیرخطی میان هدایت گرمایی و غلظت مواد جامد در سیال، وابستگی شدید هدایت گرمایی به دما و همچنین افزایش قابل توجه شار حرارتی اشاره کرد. از جمله عوامل موثر در انتقال حرارت در نانوسیالات، می‌توان به نوع حرکت نانوذرات، سطح مشترک مایع با ذرات، انتقال حرارت پرتابه‌ای در نانوذرات و تأثیر خوشه‌ای شدن(آگلومره شدن) نانوذرات اشاره کرد. در ادامه به شرح مختصر برخی خواص حرارتی-فیزیکی نانوسیالات می‌پردازیم: 


2-1- هدایت حرارتی
جامدات دارای هدایت حرارتی بالایی هستند چنانچه از هدایت حرارتی مایعاتی که جهت انتقال حرارت به طور معمول استفاده می‌شوند، بسیار بیشتر است؛ با پراکندن (سوسپانس کردن) نانوذرات جامد در مایعات معمول منتقل کننده حرارت، توانایی هدایت حرارتی آنها به طور شگفتی افزایش پیدا می‌کند. دلایل این افزایش به شرح زیر است: 
• نانوذرات افزوده شده، میزان سطح و در نتیجه ظرفیت گرمایی سیال را افزایش می‌دهند.
• نانوذرات سوسپانس شده موجب افزایش هدایت حرارت موثر(یا آشکار) سیال می‌شوند.
• برهمکنش و برخورد میان نانوذرات، سیال و سطح جریان عبوری تشدید می‌شود.
• اختلاط و آشفتگی (توربولانس) سیال تشدید می‌شود.
• پراکندگی نانوذرات سبب پراکندگی حرارتی یک دست و هم گونی در سیال می‌شود.
همچنین نشان داده شده که افزایش مقدار کمی نانولوله‌های کربنی به سیالات منتقل کننده حرارت می‌تواند تغییر چشمگیری در هدایت حرارتی آنها ایجاد کند. 


2-2- ویسکوزیته
طی تحقیقات و مطالعات بسیاری ثابت شده که دانسیته نانوسیالات بسیار بیشتر از دانسیته سیال معمولی است. دانسیته یک عامل موثر بر ویسکوزیته و وابسته به دما و غلظت حجمی است. برخی تحقیقت نشان داده‌اند که برای نانوسیالی با یک غلظت مشخص از نانوذرات، دمایی بحرانی وجود دارد که در اثر افزایش دما به بیش از آن، ویسکوزیته سیال به صورت قابل توجهی افزایش پیدا می‌کند؛ در صورت کاهش سرد کردن سیال پس از این افزایش دما تا بیش از دمای بحرانی، یک پدیده هیستریزیس در سیال مشاهده خواهد شد. مطاعات نشان داده‌اند که این دمای بحرانی به شدت به ابعاد نانوذرات و کسر حجمی آنها بستگی دارند. 


هیستریزیس
هیستریزیس: هیستریزیس به معنی پسماند بوده و یک پدیده وابسته به زمان است که طی آن خروجی سیستم به ورودی فعلی و قبلی بستگی دارد به عبارت دیگر برای پیش بینی خروجی سیستم در آینده بایستی از حالت فعلی آن و همچنین حالت‌های قبلی اطلاعات کافی داشت. به طور ساده‌تر می‌توان گفت که طی پدیده هیستریزیس عکس‌العمل ماده نسبت به تغییر حالت به حالت فعلی و همچنین قبلی آن ماده وابسته است؛ به طور مثال وقتی میله‌ای را خم می‌کنیم مقداری انر‍ژی در آن ذخیره می‌شود، در صورتیکه میله را مجددا به حالت اول برگردانیم این انر‍ژی ذخیره شده به صورت انر‍ژی گرمایی تلف می‌شود به عبارت دیگر عکس‌العمل ماده حین تغییر شکل به حالت اولیه آن وابسته بوده و انرژی اضافه بر آن حالت آزاد شده است.

بیشتر بخوانید:
پدیده هیستریزیس بیشتر در مواد مغناطیس و فرو مغناطیس مورد توجه است. جهت مطالعه بیشتر این پدیده می‌توانید به کتاب Hysteresis and Phase Transition نوشته‌ی Brokate و همکارانش از انتشارات Springer مراجعه کنید.


2-3- سایر خواص حرارتی-فیزیکی(ترموفیزیکی)
از سایر خواص نانوسیالات که خاصیت هدایت حرارتی نیز تا حدی متاثر از آنهاست می‌توان به گرمای ویژه، دانسیته(چگالی)، گرمای پنهان، کشش سطحی و . . . اشاره کرد. به طور مثال، کشش سطحی یکی از مهم‌ترین خواص سیالات به شمار می‌رود، در مورد کشش سطحی نانوسیالات تا کنون تنها یک مطالعه صورت گرفته که طی آن با افزودن نانولوله‌های کربنی به آب، کشش سطحی سیال حاصل در مقایسه با آب خالص، 14% افزایش داشته است.







filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع


  • کتاب نانو مواد، ترجمه حمیدرضا رضایی
-Keblinski.p, Phillpot, S.R, Choi, S.U.S & Eastman, Heat mass transfer
-wikipedia.org