Non equilibrium fluctuations in polystyrene/toluene mixtures

Titelangaben

Zapf, Daniel:
Non equilibrium fluctuations in polystyrene/toluene mixtures.
Bayreuth , 2022 . - V, 175 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006417

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Abstract

Thermische (T-NEFs) und solutale Nichtgleichgewichtsfluktuationen (c-NEFs) in
Flüssigkeiten mit aufgeprägten Temperatur- und Konzentrationsgradienten unterscheiden
sich von Gleichgewichtsfluktuationen (EFs) grundlegend. Sie werden durch
spontane Geschwindigkeitsschwankungen hervorgerufen, welche Volumenpakete und
ihre Temperatur- und Konzentrationszustände verschiebt. Diese wirken als starke
lokale Störungen, sogenannte Fluktuationen in einem Nichtgleichgewichtszustand
oder Nichtgleichgewichtsfluktuationen (NEFs). Sie können auf allen Längenskalen
auftreten und wirken langreichweitig mit einem charakteristischen ∼ q−4 Verhalten,
der zugeordneten Amplituden. Wir untersuchen mit einem selbst entwickelten und
gebauten Shadowgraphy Setup diese NEFs in binären Polystyrol/Toluol Mischungen,
die einem externen Temperaturgradienten ausgesetzt sind. Dieses Messverfahren
bietet ebenso eine alternative Detektionsmöglichkeit von wichtigen fluidalen Transportkoeffizienten,
ohne dass optische Kontrastfaktoren benötigt werden. Es zeigten
sich dabei zunächst von der Literatur abweichende Ergebnisse, die jedoch mit einer
komplexen Simulation (der entstehenden Shadowgraphy-Signale) auf unberücksichtigte
Nichtlinearitäten in den Gleichungen zurückzuführen waren. Dies ist ein
wichtiges Ergebnis für viele ähnliche Experimente, da diese meist ebenfalls nur die
lineare Näherung der Diffusionsgleichungen berücksichtigen. Des Weiteren konnten
wir im Zuge dieser Arbeit eine alternative Beschreibung der Strukturfunktion aufstellen,
die im Fall von Proben mit großer Lewiszahl entscheidende Verbesserungen
verspricht.

Abstract in weiterer Sprache

Thermal (T-NEFs) and solutal non equilibrium fluctuations (c-NEFs) in liquids
with applied temperature and concentration gradients differ fundamentally from
equilibrium fluctuations (EFs). They are caused by spontaneous velocity fluctuations
that displace volume elements and their temperature and concentration states.
These act as strong local perturbations so-called fluctuations in a non equilibrium
state or non equilibrium fluctuations (NEFs). They can occur on all length scales and
have a long-range effect due to the characteristic ∼ q−4 behavior of the associated
amplitudes. Using a self developed shadowgraphy setup we have studied these
NEFs in binary polystyrene/toluene mixtures exposed to an external temperature
gradient. This method offers additionally an alternative way of detecting important
fluidic transport coefficients without the need for optical contrast factors. The
results initially differed from the literature, but with a complex simulation (of
the resulting shadowgraphy signals) they could be attributed to unconsidered
non linearities in the diffusion equations. This is an important result for many
similar experiments, since these usually only consider the linear approximation.
Furthermore, in the course of this work we were able to introduce an alternative
description of the structure function, which promises decisive improvements in the
case of samples with a large Lewis numbers.