ضرايب ويريال و معادله حالت مایعات با مولکول های بیضی وار سخت ضرايب ويريال و معادله حالت مایعات با
![]() ضرايب ويريال و معادله حالت مایعات با مولکول های بیضی وار سختفهرست مطالب عنوان صفحه فصل اول: مقدمه 1-1 مقدمهای بر بلور مایع ...1 1-2 انواع بلور مایع...2 1-3 کاربرد بلور مایع ........5 1-4 طرز کارLCD ......6 1-5 معادله حالت سیستم کرهی سخت ...7 1-6 معادله حالت مایعات با مولکولهای بیضیوار .....9 1-7 ضریب ویریال .....9 1-8 معرفی ساختار کلی پایاننامه ....10 فصل دوم: معادله حالت شارهها با مولکولهای کروی 2-1 مقدمه ....12 2-2 معادله حالت شارهها با مولکولهای کروی ....12 2-2-1 قانون بویل ....12 2-2-2 قانون شارل ....13 2-2-3 قانون گاز کامل ...................................................................................................................................................................................13 2-2-4 معادله حالت واندروالس .................................................................................................................................................................13 2-2-5 معادله حالت ویریال ..........................................................................................................................................................................14 2-2-6 ضریب تراکم پذیری .........................................................................................................................................................................15 فصل سوم: ضرایب ویریال مایعات با مولکولهای کروی 3-1 مقدمه ........................................................................................................................................................................................................19 3-2 مکانیک آماری سیستمهای کلاسیکی ................................................................................................................................................19 3-2-1 چگالی nذرهای .................................................................................................................................................................................20 3-2-2 هنگرد کانونی ......................................................................................................................................................................................20 3-2-3 هنگرد کانونی بزرگ ..........................................................................................................................................................................23 3-3 ریاضیات تابعی .........................................................................................................................................................................................24 3-4 نظریهی تابعی چگالی کلاسیکی ..........................................................................................................................................................24 3-5 پتانسیل بزرگ و ضرایب ویریال ...........................................................................................................................................................26 3-6 ضرایب ویریال کروی ..............................................................................................................................................................................26 3-7 ضرایب ویریال و تابع مایر ......................................................................................................................................................................29 3-8 ضریب دوم ویریال با پتانسیل کرهی سخت ......................................................................................................................................31 فصل چهارم: ضرایب ویریال مولکولهای بیضیوار 4-1 مقدمه ........................................................................................................................................................................................................32
4-2 مایعات مولکولی غیر کروی ...................................................................................................................................................................32 4-2-1 تقریب مولکول سخت .......................................................................................................................................................................33 4-2-2 تقریب کلاسیکی ................................................................................................................................................................................33 4-2-3 تقریب مجموعهی جفتها ................................................................................................................................................................33 4-3 پتانسیل مدل گاؤسی .............................................................................................................................................................................34 4-3-1 مدل همپوشان گاؤسی سخت .........................................................................................................................................................35 4-3-2 اصلاح پارامتر فاصله ...........................................................................................................................................................................36 4-4 ضرایب ویریال مولکولهای غیر کروی ...............................................................................................................................................36 4-5 هندسهی بیضیوار سخت ......................................................................................................................................................................37 4-5-1 حجم گسترش یافته ..........................................................................................................................................................................40 4-5-2 تابع کمکی بیضیوار .........................................................................................................................................................................42 4-5-3 شعاع متوسط، سطح و حجم بیضیوار ..........................................................................................................................................42 4-6 نظریهی مقیاس ذره برای ذرات غیر کروی و ضریب دوم ویریال .................................................................................................43 4-7 ضرایب ویریال بیضیوار .........................................................................................................................................................................45 4-7-1 عبارتهای تحلیلی دو پارامتری برای ضرایب ویریال بیضیوار سخت ...................................................................................46 4-7-2 عبارتهای تحلیلی برای ضرایب ویریال بر حسب نسبت طول به عرض مولکول بیضیوار ...............................................49 فصل پنجم: معادله حالت بیضیوار سخت 5-1 مقدمه ........................................................................................................................................................................................................58 5-2 اهمیت ضرایب ویریال در معادله حالت ..............................................................................................................................................59 5-3 بهینهسازی معادله حالت بیضیوار سخت ..........................................................................................................................................64 فصل ششم: نتیجهگیری 6-1 نتایج ...........................................................................................................................................................................................................72 6-2 پیشنهادات ................................................................................................................................................................................................73 مراجع..........................................................................................................................................................................75 فهرست نگارهها عنوان صفحه نگارهی 1-1 نمایشی از (الف) بلور مایع و (ب) جامد بلوری .....................................................................................................................3 نگارهی 1-2 نمایشی از فازهای بلور مایع .....................................................................................................................................................4 نگارهی 1-3 نمونه فازهای اسمکتیک ............................................................................................................................................................5 نگارهی 1-4 کاربردهایی از بلور مایع .............................................................................................................................................................6 نگارهی 1-5 ساعت دیجیتالی ..........................................................................................................................................................................7 نگارهی 4-1 مقایسه بین فاصلههای تماس مدلهای HGO و HER ...............................................................................................35 نگارههای 4-2 بیضیوار و صفحهی کمکی در موقعیت ....................................................................................................................38 نگارهی 4-3 بیضیوار دوار و حجم گسترش یافته ...................................................................................................................................40 نگارهی 4-4 نمودار تغییرات ضریب ششم ویریال برحسب پارامترهای شکلی برای مولکولهای بیضیوار سخت .....................48 نگارهی 4-5 نمودار تغییرات ضریب هفتم ویریال بر حسب پارامترهای شکلی برای مولکولهای بیضیوار سخت ....................49 نگارهی 4-6 ضریب چهارم کاهش یافتهی ویریال بر حسب نسبت طول به عرض ............................................................................50 نگارهی4-7 ضریب پنجم کاهش یافتهی ویریال بر حسب نسبت طول به عرض ...............................................................................51 نگارهی 4-8 ضریب ششم کاهش یافتهی ویریال بر حسب نسبت طول به عرض .............................................................................51 نگارهی 4-9 ضریب هفتم کاهش یافتهی ویریال بر حسب نسبت طول به عرض .............................................................................52 نگارهی 4-10 ضریب چهارم ویریال کاهش یافته برای مولکولهای بیضیوار پهن ...........................................................................52 نگارهی 4-11 ضریب چهارم ویریال کاهش یافته برای مولکولهای بیضیوار کشیده ......................................................................53 نگارهی 4-12 ضریب پنجم ویریال کاهش یافته برای مولکولهای بیضیوار پهن .............................................................................53 نگارهی 4-13 ضریب پنجم ویریال کاهش یافته برای مولکولهای بیضیوار کشیده ........................................................................54 نگارهی 4-14 ضریب ششم ویریال کاهش یافته برای مولکولهای بیضیوار پهن .............................................................................54 نگارهی 4-15 ضریب ششم ویریال کاهش یافته برای مولکولهای بیضیوار کشیده ........................................................................55 نگارهی 4-16 ضریب هفتم ویریال کاهش یافته برای مولکولهای بیضیوار پهن .............................................................................55 نگارهی 4-17 ضریب هفتم ویریال کاهش یافته برای مولکولهای بیضیوار کشیده ........................................................................56 نگارهی 4-18 ضریب هشتم ویریال کاهش یافته بر حسب نسبت طول به عرض .............................................................................56 نگارهی 5-1 نمودارهای ضریب تراکمپذیری بر حسب کسر فشردگی برای بیضیوارها با ..........................................60 نگارهی 5-2 نمودارهای ضریب تراکمپذیری بر حسب کسر فشردگی برای بیضیوارها با ........................................60 نگارهی 5-3 نمودارهای ضریب تراکمپذیری بر حسب کسر فشردگی برای بیضیوارها با .....................................61 نگارهی 5-4 نمودارهای ضریب تراکمپذیری بر حسب کسر فشردگی برای بیضیوارها با .....................................61 نگارهی 5-5 نمودارهای ضریب تراکمپذیری بر حسب کسر فشردگی برای بیضیوارها با ..............................................62 نگارهی 5-6 نمودارهای ضریب تراکمپذیری بر حسب کسر فشردگی برای بیضیوارها با ..............................................62 نگارهی 5-7 نمودارهای ضریب تراکمپذیری بر حسب کسر فشردگی برای بیضیوارها با ..............................................63 نگارهی 5-8 نمودارهای ضریب تراکمپذیری بر حسب کسر فشردگی برای بیضیوارها با ...........................................63 نگارهی 5-9 مقایسهی ضریب تراکمپذیری حاصل از معادلات معرفی شده برای ........................................................65 نگارهی 5-10 مقایسهی ضریب تراکمپذیری حاصل از معادلات معرفی شده برای ..................................................65 نگارهی 5-11 مقایسهی ضریب تراکمپذیری حاصل از معادلات معرفی شده برای .................................................66 نگارهی 5-12 مقایسهی ضریب تراکمپذیری حاصل از معادلات معرفی شده برای .................................................66 نگارهی 5-13 مقایسهی ضریب تراکمپذیری حاصل از معادلات معرفی شده برای .........................................................67 نگارهی 5-14 مقایسهی ضریب تراکمپذیری حاصل از معادلات معرفی شده برای .........................................................67 نگارهی 5-15 مقایسهی ضریب تراکمپذیری حاصل از معادلات معرفی شده برای .........................................................68 نگارهی 5-16 مقایسهی ضریب تراکمپذیری حاصل از معادلات معرفی شده برای ......................................................68 نگارهی 5-17 مقایسهی با ضرایب تراکمپذیری سازندهی آن و دادههای شبیهسازی موجود برای مولکولهای بیضیوار با .........................................................................................................................................................................................................69 نگارهی 5-18 مقایسهی با ضرایب تراکمپذیری سازندهی آن و دادههای شبیهسازی موجود برای مولکولهای بیضیوار با .........................................................................................................................................................................................................70 نگارهی 5-19 مقایسهی با ضرایب تراکمپذیری سازندهی آن و دادههای شبیهسازی موجود برای مولکولهای بیضیوار با .........................................................................................................................................................................................................70 نگارهی 5-20 مقایسهی با ضرایب تراکمپذیری سازندهی آن و دادههای شبیهسازی موجود برای مولکولهای بیضیوار با ......................................................................................................................................................................................................71 فهرست جدولها عنوان صفحه جدول 4-1 ضریب دوم ویریال محاسبه شده در مقایسه با نتایج HGOو MF .............................................................................37 جدول 4-2 مقایسهی نتایج معادلات به دست آمده برای ضرایب ویریال در با مقادیر دقیق کره ................................57 فصل اول مقدمه 1-1 مقدمهای بر بلور مایع یونانیان باستان، عالم را متشکل از چهار عنصر آتش، خاک، آب و هوا میدانستند. امروزه دانشمندان به کمک این عناصر، تمام اجزای تشکیل دهندهی جهان را آنطور که هست، توضیح میدهند. آتش بیانگر انرژی و سه عنصر دیگر بیانگر سه حالت ماده جامد، مایع و گاز میباشد. در جامدات، نیروهای بین مولکولی به قدری قویتر از انرژی جنبشی هستند که باعث سخت شدن جسم و در نتیجه عدم جاری شدن آن میگردند. مولکولها در مکانهای خاصی جای میگیرند و فقط در اطراف این مکانها میتوانند حرکت نوسانی رفت و برگشتی بسیار کوچک انجام دهند. مرکز ثقل ماده در ساختار آنها ثابت است و حجم و شکل هندسی معینی دارند. جامدات نظم ساختاری بلند برد دارند و به دو دستهی بیشکل و بلوری دستهبندی میشوند. جامدات بلوری همگن هستند و اتمهای آنها دارای آرایش منظمی بوده، خواص فیزیکی و نوری متنوعی را از خود نشان میدهند. مایعات و گازها شاره هستند یعنی جریان مییابند و نمیتوانند مانند جامدات با اعمال نیروی پسزنی کشسانی، در مقابل تغییر شکل مقاومت کنند. در گازها فاصلهی مولکولها نسبتاً زیاد بوده و آزادی حرکت قابل توجهی دارند. ظرف را بدون توجه به شکل فیزیکیاش، تقریباً همگن پر میکنند و دارای تراکمپذیری مناسبی هستند. سادهترین گازها، گازهای ایدهآل هستند که در آنها هیچ بر هم کنشی بین مولکولها در نظر گرفته نمیشود. در حالت مایع، مولکولها نسبت به گازها به هم نزدیکترند، توسط نیروی گرانش کاتورهای توزیع شدهاند، مولکولها در همهی جهات آزادی حرکت دارند و به دلیل نیروی دافعهی کوتاه برد میان اتمها یا مولکولها تا اندازهای در آنها نظم کوتاه بردی دیده میشود و از گازها چگالترند. اتمها و مولکولهای مایعات به راحتی میتوانند جا به جا شوند. مایعات به دلیل نداشتن نظم مکانی دور برد، در مقابل تغییر شکل برشی، مقاومتی از خود نشان نمیدهند و تحت تأثیر نیروی وزن یا نیروهای دیگر، به آسانی جریان مییابند.در قرن نوزدهم میلادی، در میان تقسیمات مواد، فاز جدیدی از ماده تحت عنوان بلور مایع کشف شد که هم دارای خاصیت شناوری همچون مایعات بوده و هم تا حدی نظم بلوری داشت. در واقع این مواد، دارای ساختاری بین یک سیال همسانگرد و بلور جامد بود .در این قرن، پزشک آلمانی به نام رودلف ویرکو[1]اولین کسیبود که حالت مایع بلوری را به کمک میکروسکوپ مشاهده کرد. در سال1853میلادی ، یک مادهینرم و شناور را از هستهی عصب توصیف کرد و آن را میلین[2] نامید. این ماده به صورت چربی سفید رنگ بوده و بعضی از اعصاب را میپوشاند. البته وی در آن زمان متوجه نشد که این ماده یک مایع بلوری است. تا این که در سال 1888 میلادی، یک گیاهشناس اتریشی به نام فردریک رنیتزر[3]مشاهده کرد که وقتی کلسترول بنزوات[4] را ذوب میکند مانند سایر ترکیبات ذوب نمیشود، بلکه به طور واضح دو نقطهی ذوب دارد به طوری که در 5/145 درجه سانتیگراد ذوب شده و به یک مایع کدر تبدیل میشود و در 5/178 درجه سانتیگراد دوباره ذوب میشود و مایع کدر یکباره شفاف میشود[1]. به علاوه این پدیده برگشتپذیر است. رنیتزر نامهای به اتولمان[5] نوشت و مشاهدهی خود را شرح داد و همچنین نمونه را برای وی فرستاد. اتولمان هم بر روی شارهی کدر آزمایشهایی انجام داد و گزارش داد که بلوری شدن را در مایع کدر مشاهده کرده است. وی این حالت را فاز میانی نامید[2]. جرج فریدل[6] در سال 1920 میلادی بلورهای مایع را دستهبندی نمود. تا سال 1924 میلادی، جزئیاتبلور مایع خیلیروشن نبود تااینکه دانیل ورلاندر[7]نشان داد که بلور مایع به جای اینکه دارای مولکول با شکل کروی باشد از مولکولهای میلهای شکل تشکیل شده است و از نظر موقعیت مکانی به طور نسبی مرتب میباشد و علاوه بر آن جهتگیری مولکولها به سمت معینی میباشد و همین امر موجب بروز جهتهای متفاوت در این بلورها میشود. 1-2 انواع بلور مایع در بلور مایع فازهای مختلفی وجود دارد که آنها را بر اساس ترتیب و جهت قرار گرفتن مولکولهایشان که در ساختار فاز شرکت دارند، به صورت زیر تقسیمبندی میکنند. v فاز همسانگرد[8] v فاز نماتیک[9] v فاز اسمکتیک[10] هنگامی که جامد بلوری ذوب میشود، انرژی گرمایی بلور بر نیروهای بین مولکولی غلبه کرده، سبب شکسته شدن ساختار بلوری و از بین رفتن آرایش منظم مولکولها میشود. به همین جهت مولکولها آزاد میشوند تا به طور کاتورهای حرکت کنند. بدین ترتیب مایعات مولکولی به وجود میآید. تنوع حالتهای میانی بلورهای مایع تا حد زیادی از شکل هندسی مولکولها پیروی میکند. سادهترین حالت میانی، نماتیک[3] است که مایع شیری رنگ با چسبندگی اندک را به وجود میآورد. حالت اسمکتیک [4] خود به تعداد زیادی زیر حالت از Aتا H تقسیمبندی میشود که نوع A، B ، Cو D آن کاملاً شناخته شدهاند. برای نمونه روند تغییرات به حالتهای میانی در زیر نشان داده شده است. در دماهای پایین در بعضی از مواد، فاز نماتیک تشکیل میشود. مرکز مولکولها در مکانهای مختلف قرار میگیرند اما محورهای طولی تقریباً در یک جهت و موازی با محور برگزیده (دایرکتور) در فضا قرار میگیرند. محور برگزیده یک محور اختیاری است و آن را در جهتی در نظر میگیرند که محور طولی بیشتر مولکولها در این جهت باشد. در فاز نماتیک، مرکز جرم مولکولها به صورت کاتورهای توزیع شدهاند. متوسط جهات محور طولی این مولکولها با مشخص میشود. وجود تقارن محوری ایجاب میکند که دو جهت و برای بلور نماتیک تفاوت نداشته باشد. در این فاز، مولکولها قادر به دوران حول محور طولی هستند. در حالت نماتیک تقارن انتقالی همانند حالت مایع همسانگرد است ولی تقارن دورانی شکسته میشود و یک جهت غالب به وجود میآید، که این فاز به وجود آمده فاز تک محور نامیده میشود. در حالتی که علاوه بر نظم جهتی، نظم مکانی در بلور بر قرار باشد فاز بلور مایع، اسمکتیک است. در این فاز، مولکولها میتوانند حول یک محور دوران کنند. در فضای بین لایهها، نیروی جاذبه در مقایسه با نیروی بین مولکولها بسیار ضعیف است و لایهها قادر هستند که به راحتی روی یکدیگر حرکت کنند. بلورهای مایع اسمکتیک، ساختار لایهای دارند. دو نوع نظم جهتی و انتقالی بلند برد برای این نوع بلور مایع وجود دارد. مرکز جرم مولکولها روی صفحاتی قرار میگیرد که این صفحات بر محور برگزیده عمود هستند. فاصلهی بین دو صفحه به اندازهی فاصلهی مولکولی تخمین زده میشود و فرض بر این است که این تراکم به صورت دلخواه در صفحات هم سطح حرکت میکنند. فاز اسمکتیک از لحاظ اپتیکی تک محوری است و الگوی پراش پرتو xشامل تک حلقهی نازکمطابق با فضای بین صفحهای، تقریباً 20 انگسترم میباشد.نگارههای زیر وضعیت ممکن که مولکولها میتوانند در آن قرار گیرند را به نمایش میگذارد. (الف) (ب) نگارهی1-1 : نمایشی از (الف) بلور مایع و (ب) جامد بلوری (الف) فاز نماتیک (ب) فاز اسمکتیک (ج) فاز ایزوتروپیک (الف)فاز اسمکتیکA (ب)فاز اسمکتیک B (ج)فاز اسمکتیک C (د)فاز اسمکتیک D نگارهی1-3 : نمونه فازهای اسمکتیک. در هر شکل قسمت سمت راست نمای بالایی و قسمت سمت چپ نمای رو به روی مولکولها است. 1-3 کاربردهای بلور مایع شرط لازم برای تشکیل بلور مایع مولکولی، ناهمسانگردی قوی در شکل آن (داشتن شکل پهن یا میلهای) است و گذار فاز آن میتواند باتغییر دما (ترموتراپیک[11]) یا با تغییر چگالی (لیوتراپیک[12]) انجام گیرد. ساختارهای بلورین مایع لیوتراپیک و ترموتراپیک نقش مهمی را در بیوفیزیک، زیستشناسی سلولی و تولید DNA ایفا میکند. همهی غشاهای سلولی، بلور مایع لیوتراپیک هستند. بیرونیترین لایهی پوست یک بلور مایع لیوتراپیک ساخته شده از اسیدهای چرب است. مغز و عصب نیز از مزوژنها غنی هستند. ترموگرافی بلور مایع کلستریک مؤثرترین روش برای پزشکان است تا منافذ زیر پوست را ببینند. با توجه به مایع بودن و آرایش مولکولها، بلورهای مایع میتوانند اشکال و جهتگیریهای مختلفی داشته باشند و همین امر موجب بروز خواص فیزیکی متنوعی شده که امروزه کاربرد زیادی در صنعت و تکنولوژی پیدا کرده است. از آنجا که بلورهای مایع نسبت به دما بسیار حساس هستند، انتخاب مناسبی برای استفاده در دماسنجها میباشند. از جمله موارد استفاده از بلور مایع در صنعت، ساخت نمایشگرهای بلور مایع تحت عنوان LCD[13]میباشد. لپتاب، برخی مانیتورها، ساعتهای دیجیتالی، ماشین حساب، اجاقهای ماکروویو، دستگاههای پخش سیدی و دستگاههای الکترونیکی دیگر شامل LCD ها هستند. LCD ها به دلیل مزیتهایی از قبیل نازک بودن، وضوح بیشتر و مصرف برق کمتر متداول شدهاند. از ساخت آزمایشی اولین LCD در سال 1986، مدت 25 سال میگذرد. از آن هنگام سازندگان LCD ها، آنها را از لحاظ فناوری توسعه دادهاند و LCD ها را از لحاظ فنی به سطح بالایی رساندند و روند ساخت آن، همچنان رو به فزونی است. نگارهی1-4: کاربردهایی از بلور مایع 1-4 طرز کار LCD یک LCDوسیلهای است که از 4 الگو یا واقعیت فیزیکی بهره میگیرد. اول این که نور میتواند قطبیده شود، دوم این که بلور مایع میتواند منتقل شود و نور قطبیده را تغییر دهد، سوم این که ساختار بلور مایع میتواند از سوی جریان الکتریکی تغییر یابد و آخرین مورد این که مواد شفافی موجودند که قادرند جریان الکتریسته را هدایت کنند. برای ساخت LCD، ابتدا نیاز به دو شیشهی قطبیده داریم. روی طرفی از شیشه که قطبیده نشده است، مادهای پلاستیکی کشیده میشود. این ماده باعث میشود شبکههایی روی سطح شیشه ایجاد شود. سپس روی این لایهی پلاستیکی، لایهای از بلور مایع نیز کشیده میشود. شبکههای تشکیل شده از پلاستیک، به بلور مایع شکل میدهد. سپس صفحههای شیشهای قطبیده شده را که با روکشهای پلاستیکی و بلوری آماده شدهاند را در ردیفهای عمودی و افقی، در مقابل یکدیگر قرار میدهند. با عبور نور از هر کدام از لایهها، سرعت و زاویهی شکست آن تغییر میکند. در انتها، اگر زاویه و جهتگیری نور با شبکهی تشکیل شده از پلاستیک، روی صفحهی انتهایی مطابق باشد، نور عبور میکند. بلور مایع به کار برده شده در LCD ها نماتیک پیچ خورده است. با القای جریان به بلور مایع، شکل گره مانند (پیچ خورده) آن باز میشود. در این حالت، نور را در زاویه و جهتگیری متفاوت با خطوط شبکه مانند لایهی بیرونی، قرار میدهد و نور را از خود عبور نمیدهد و آن قسمت از بلور، تاریکتر به نظر میرسد. بلور مایع به هیچ عنوان از خود نور گسیل نمیکند، به همین دلیل برای تشکیل تصویر به غیر از القای جریان، به منبع خارجی نور نیاز داریم. برای درک بهتر این مطلب، به یک ساعت دیجیتالی نگاه کنید. قسمتی از صفحه که اعداد در آن نمایش داده نمیشوند، روشن است. این نوع صفحههای LCD معمولاً دارای منبع نور خارجی نیستند و تنها نور محیط را بازتاب میکنند. سپس با القای جریان در بلور مایع از انعکاس نور در قسمتی که میخواهیم آن را نمایش دهیم، جلوگیری میکنیم و به جای ایجاد تصویر با روشن کردن یا خاموش کردن مناطقی از صفحهای روشن، تصاویر را نمایش میدهیم. [1]Rudolf Virchow [2]Myelin [3]Friedrich Reinitzer [4]Cholesteryl Benzoate [5]Otto Lehmann [6] Georges Freidel [7]Daniel Vorlander [8]Isotropic phase [9]Nematic phase [10]Smectic phase [11]Thermotroopic [12] Lyotropic [13] Liquid Crystal Disply جهت کپی مطلب از ctrl+A استفاده نمایید نماید |