Microchorros fluidos fuera del equilibrio...Enfriamiento rotacional N 2, 313 µm nozzle P 0 = 2 bar,...
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X Curso Iniciación a la Investigación en IEM, 20 marzo 2013José Ma. Fernández, Instituto de Estructura de la Materia
Microchorros fluidos
fuera del equilibrio
José Mª Fernández
Laboratorio de Fluidodinámica Molecular
Instituto de Estructura de la Materia, CSIC
X Curso Iniciación a la Investigación en IEM, 20 marzo 2013José Ma. Fernández, Instituto de Estructura de la Materia
Grupo de Fluidodinámica Molecular
� Salvador Montero
� José Mª Fernández
� Guzmán Tejeda
� Elena Moreno
� Francisco Gámez
X Curso Iniciación a la Investigación en IEM, 20 marzo 2013José Ma. Fernández, Instituto de Estructura de la Materia
P0=0.6 barT0=45 K
P0=8 barT0=17 K
Trayectorias en el diagrama de fases H2
X Curso Iniciación a la Investigación en IEM, 20 marzo 2013José Ma. Fernández, Instituto de Estructura de la Materia
Chorros supersónicos. Generalidades
M<<1M>>1 M<1
X Curso Iniciación a la Investigación en IEM, 20 marzo 2013José Ma. Fernández, Instituto de Estructura de la Materia
Chorros supersónicos. Zona de silencio
100 1000z (µm)
1x100
1x101
1x102
1x103
1x104
n (1
022
m-3
)
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000
v (m
/s)
2.55 bar
1.28 bar
v
n
0 500 1000 1500 2000z (µm)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Tem
pera
ture
/
K
ortho-H2
para-H2
ortho-H2
para-H2
Rotational
Translational
1.28 bar
2.55 bar
•Se rompe el equilibrio TD: Ttras ≠Trot ≠ Tvib•El chorro supersónico es un sistema dinámico, condicionado por la cinética de colisiones: congelación Trot
X Curso Iniciación a la Investigación en IEM, 20 marzo 2013José Ma. Fernández, Instituto de Estructura de la Materia
Microchorros líquidos subenfriados
X Curso Iniciación a la Investigación en IEM, 20 marzo 2013José Ma. Fernández, Instituto de Estructura de la Materia
Microchorros líquidos subenfriados
• Tobera < 10 micras
• Líquido presurizado (5-20 bar)
• Se enfrían por evaporación superficial (en vacío)
• Densidad ~ constante
• Fluctuaciones de Rayleigh: rotura en gotas -> líquido
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Efecto Raman
Scattering
inelástico
de luz
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Efecto Raman
| f >
| i >ν
E=0
νi incidente
Scattering a
νi (Rayleigh) yνi+νR (Raman)
νR νi−νf
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Espectroscopía Raman. Propiedades
�Universalidad (todas las especies moleculares dan espectro Raman)
�Relación lineal entre intensidad espectral y densidad molecular
�Rango espectral de ~1 a 6000 cm-1
�Rango dinámico de intensidades >106
�Alta resolución espacial (unas pocas micras)
Limitaciones
�Debilidad intrínseca del efecto Raman
�Resolución espectral modesta (~0,1 cm-1)
Ventajas
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Raman spectroscopy in gas jets. Geometry
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Montaje experimentalTurbopump
Roots Rotary
Spectrometer
Chamber
Las
er
CC
D 1
CC
D 2
Compressor Ortho-para H 2
Converter
n-H 2 p-H
2
Optical table
Raman signal
Gate valveP r
P 0
1 m
z
y
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Montaje experimental
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Montaje experimental
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Montaje experimental
• Movemos la tobera para muestrear el chorro
• Resolución espacial: 1 µm
• Resolución temporal:
� Gas: v ~ 1000 m/s => 1 ns
� Líquido v ~ 100 m/s.=> 10 ns
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¿Qué podemos hacer con espectroscopía Raman en chorros de fluidos?
� espectros de moléculas frías
� espectros de moléculas calientes
� mapas de temperaturas en chorros de gases
� mapas de densidades en chorros de gases
� transferencia de energía en colisiones
� agregación molecular
� solidificación de líquidos subenfriados
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Espectroscopía Raman a baja temperatura
1320 1370 1420 1470 1520 1570 1620
Wavenumber (cm-1)
0
1
2
3
Inte
nsi
ty (
cps)
C2H6, ν11T=295 KP=10 kPa
T=23 K
J. M. Fernández and S. Montero, J. Chem. Phys. 118, 2657 (2003)
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Espectroscopía Raman de llamas
3400 3450 3500 3550 3600 3650 3700
Raman shift (cm-1)
Ram
an in
tens
ity (ar
bitrar
y un
its)
b) Calculated
a) Observed H2O a 2000 K
llama de CH4/aire
Avila et al., J. Mol. Spectrosc. 228, 38 (2004)
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Mapa de temperatura rotacional
Maté et al., J. Fluid Mech. 426, 177 (2001)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
z/Re
0
5
10
15
20
25
30
35
r/R
e
Nozzle
e
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
0
5
10
15
20
25
30
35
(c)
(d)
Experimental
Calculated
e
z/Re
00
5
0
5
0
0.321.28 1.12 0.96 0.80 0.64 0.48 0.16 0.00
CO2
P0=2 bar
D=313 µm
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Enfriamiento rotacional
N2, 313 µm nozzle
P0= 2 bar, T0=297 K
Fonfría et al., J. Chem. Phys.
127, 134305 (2007)
• Seguimiento de la evolución temporal de las poblaciones rotacionales
• Constantes de velocidad nivel-a-nivel de relajación rotacional
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• Enfriar 20 K > T > 14 K (liq.)
• Catalizador magnético
• Desarrollado para licuar el H2
durante la carrera espacial
• Una vez convertido, el para-H2
se conserva durante días (!) a
temperatura ambiente
• Conversiones máximas:
– 99,99% para-H2 a 15 K
– 98,4% orto-D2 a 19 K
020
040
060
080
0
E (
cm−1
)
para-H2
I=0orto-H2
I=1
J=1
J=3
J=2
J=0 118,5 cm−1
170,5 K
Conversión orto<->para-H2
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Agregados pequeños de para-H2
4156 4158 4160 4162
Wavenumber (cm-1)
0
2
40
2
40
2
40
2
412345678N=13
Ra
ma
n in
ten
sity
z =10D
t =546 ns
Ti =0.6 K ×5
z =5D
t =290 ns
Ti =1.7 K
×5
z =3D
t =186 ns
Ti =3.2 K
×5
z =1D
t =75 ns
Ti =12.8 K
×5
p-H2
P0=1 bar
Tobera: D= 50 µm
T0=46.5 K
Tejeda et al., Phys. Rev. Lett.
92, 223401 (2004)
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Microchorros de para-H2 líquido
Kühnel, Fernández, Tejeda, Kalinin, Montero, Grisenti, Phys. Rev. Lett. 106, 245301 (2011)
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Conclusiones
El laboratorio de Fluidodinámica Molecular del IEM ofreceunas posibilidades excelentes de formación en físicamolecular experimental, con un marcado carácterinterdisciplinar, en problemas relevantes de la físicamolecular actual.
Posibles temas de trabajo
• colisiones de moléculas de interés astrofísico o atmosférico (+ He, H2..)
• cinética de condensación y estructura de agregados moleculares pequeños de (H2, H2O, O2, CO, etc)
• cristalización (¿o no?) de microchorros de agua subenfriada